Что такое динамический диапазон звука. Динамический диапазон цифровых аудио трактов. Что такое динамический диапазон музыки

Эммануэль Дерюти

«Почему музыка стала звучать хуже». «Поклонники жалуются, что Death Magnetic в Guitar Hero звучит лучше, чем на CD». «Даже фанаты хеви-метала считают, что сегодняшняя музыка слишком громкая!» «Dynamic Range Day объявляет новое движение против громкости». «Смерть Hi-Fi»… В прессе и сети растёт движение против «войны за громкость», практики, когда люди пытаются получить максимально возможную громкость в своих треках, чтобы заставить слушателей ощущать их более «горячими» по сравнению с конкурирующими релизами. Согласно этим статьям, неблагоразумные методы мастеринга и, более конкретно, злоупотребление brickwall-ограничителями, ставят музыку под угрозу. В современном производстве не хватает детальности, и оно жертвует качеством ради уровня. Боб Дилан в 2006 году в своём интервью заявил, что «Вы слушаете эти современные альбомы, и они звучат просто по-зверски. У них один звук везде. Нет никакой чёткости и детальности, ни в вокале, ни в чём-то другом. Всё статично».

Но не является ли замечание Дилана отражением извечного конфликта между отцами и детьми? Это был бы не первый случай, когда старая гвардия презирает то, что делает новое поколение. Хотя, верно и то, что многие звукоинженеры присоединяются к обществу, предпочитающему «более динамичную» музыку. Но объективно ли они говорят о том, что такая музыка лучше, или они просто предпочитают какой-то определённый тип звучания? Моё исследование постарается дать ответы на эти вопросы. Мы узнаем, действительно ли стала громче современная музыка, и стало ли в ней меньше динамики. Мы также рассмотрим гипотезу, что громкость может быть стилистическим признаком специфических музыкальных жанров, а не «дурной манерой», мотивированной презренными коммерческими интересами. И, наконец, мы пристально поглядим на печально известный альбом Death Magnetic группы Metallica и выясним, почему многим людям кажется, что он звучит плохо.

Действительно ли теперь музыка стала громче?

Да, это так, и здесь нет никаких сомнений. Давайте возьмём большое количество известных поп-песен, записанных в промежутке между 1969 и 2010 годами, нормализуем их так, чтобы пики стали под 0 dBFS, и измерим значение RMS. Теперь давайте рассортируем все значения согласно году релиза каждой песни. Первая диаграмма (вверху) показывает результаты эксперимента, и они реально возбуждают! Красная линия показывает усреднённые значения RMS для каждого года, а прямоугольники показывают распределение: чем темнее, тем больше песен имеет такой же уровень. Здесь, несомненно, наблюдается постоянный рост среднего уровня между 1982 и 2005 годами, и сегодняшние записи примерно на 5 dB громче, чем было в 70-х.

По общему признанию, RMS даёт только информацию об «электрическом» или «физическом» уровне аудиофайла, но никак не говорит о той громкости, что мы реально воспринимаем. Для этого, согласно нормативным рекомендациям EBU 3341, мы оцениваем «интегрированную громкость». Как видно на второй диаграмме, это значение весьма сильно коррелируется с RMS, и два графика очень похожи друг на друга. Таким образом, второй набор результатов подтверждает первый.

Давайте воспользуемся другими критериями и повторим эксперимент. К примеру, для описания динамического поведения музыки часто используется такой критерий, как крест-фактор. Говоря простыми словами, он показывает разницу между пиковым и RMS-уровнями на протяжении песни. Он является хорошим маркером, позволяющим оценить количество компрессии, применённой к музыке: обычно, чем больше компрессии, тем ниже крест-фактор. Некоторые профессионалы считают аккуратное обращение с крест-фактором залогом успешного мастеринга. В общих словах, опять же, чем ниже крест-фактор, тем громче музыка.

Третья диаграмма показывает эволюцию крест-фактора. Основываясь на тех же самых 4500 песен, этот усреднённый график, начиная с 80-х годов, показывает падение на 3 dB. Это укрепляет нас во мнении, что увеличение громкости, явно начавшееся с 90-х, было порождено компрессией. Нетрудно заметить, что эволюцию крест-фактора можно разделить на три этапа. Первый, с 1969 по 1980-й, показывает увеличение крест-фактора, обусловленное, вероятно, совершенствованием студийного оборудования, улучшением отношения сигнал/шум и, как следствие, расширением его динамического диапазона. С 1980 по 1990-й крест-фактор остаётся довольно устойчивым. Затем, с 1990 по 2010-й – в эпоху войны за громкость – крест-фактор драматически уменьшается.

Наконец, ещё один полезный и информативный критерий – это пропорция сэмплов, после нормализации близко подобравшихся к потолку 0 dBFS. Большая плотность очень громких сэмплов предполагает, что в мастер-копии был клиппинг или использовался цифровой brickwall-ограничитель. Четвёртая диаграмма отслеживает плотность пиковых сэмплов в той же самой коллекции из 4500 треков. Первые две диаграммы показывают, что музыка становится громче; третья указывает, что это происходит, вероятно, в результате компрессии динамического диапазона; а эта иллюстрирует, что компрессия, скорее всего, сопровождалась цифровым brickwall-ограничением.

Что такое динамический диапазон музыки?

Вы удивитесь, но на этот вопрос довольно трудно ответить. Интуитивно, мы чувствуем, что динамический диапазон это некий критерий, показывающий, насколько варьируется уровень в музыкальной композиции. Давайте попробуем материализовать эти догадки. Первая диаграмма сравнивает значения RMS в двух песнях: «Fuk» от Plastikman и «Smells Like Teen Spirit» от Nirvana. Очевидно, что уровень в Smells Like Teen Spirit более подвижен, чем в Fuk. И это не удивляет, поскольку Plastikman приверженец минимал-техно, тогда как для Nirvana характерны мягкие куплеты и громкие припевы.

Однако, результат меняется просто радикально, если для анализа использовать окно не 2 секунды, а 100 миллисекунд. При большем окне музыка Plastikman демонстрирует более стабильный RMS-уровень, но, как Вы видите на второй диаграмме, при меньшем времени интеграции в ней появляются более интенсивные вариации. Это обусловлено громкими и сухими барабанами. Поэтому, если мы хотим объективно измерить «подвижность уровня», то должны тщательно подумать над тем, какой масштаб использовать.

Также есть вопрос по поводу того, как фактически вычислить эту подвижность уровня. Иными словами, как получить цифровое значение, которое было бы мерой «динамического диапазона». Очевидно, мы могли бы измерить полную вертикальную амплитуду кривой RMS в заданном временном масштабе, суммируя амплитуду каждого вертикального движения. На первый взгляд, это даёт идеальную картину: снова посмотрите на первую диаграмму, на которой синяя кривая выглядит более подвижной, чем красная, и имеет большую общую вертикальную амплитуду.

Однако, на практике, этот метод ненадёжен. К примеру, изолированный пик посреди плоской RMS-кривой исказит измерение, давая ложное представление подвижности уровня. Существует более надёжный метод, используемый EBU для оценки диапазона громкости. Он заключается в вычислении распределения значений RMS. Такое распределение показано в третьей диаграмме. Затем мы измерили «разброс» распределения, используя трюк, подобный методу вероятностной выборки из арсенала описательной статистики, оставив только 5% высших значений и 10% низших. Результаты анализа в двухсекундном окне показывают более широкий разброс RMS у Smells Like Teen Spirit.

Давайте теперь изменим масштаб и измерим разброс RMS в окне 0,1 секунды. Итоги эксперимента показаны в четвёртой диаграмме и снова результаты прямо противоположны: разброс в Fuk намного больше, чем в Smells Like Teen Spirit. Теперь, проведём этот же эксперимент с другими размерами окна. Результаты представлены в последней диаграмме. Интересно, что вариации уровня в Smells Like Teen Spirit всегда больше, за исключением окон менее 0,18 секунды. Это как раз тот временной промежуток, где барабаны Fuk оказывают решающее влияние.

То, что изображено на пятой диаграмме, является хорошей кандидатурой на роль измерителя «динамического диапазона» музыки. Теперь предположим, что вместо того, чтобы пользоваться значениями RMS, мы будем иметь дело с некой единицей измерения воспринимаемой громкости, типа той, что упомянута в рекомендации ITU BS 1770. Это и есть тот самый «диапазон громкости». Основы того, как EBU определяет «диапазон громкости» находятся в документе EBU Tech 3342 и объясняются нами в главе «Измерение диапазона громкости по методике EBU».

Теперь остаётся только вопрос, нужно ли вообще использовать такой термин, как «динамический диапазон». Нет никакого официального определения для него, и это понятие можно спутать с динамическим диапазоном носителя записи, который показывает разницу между самым маленьким и самым большим уровнями, с которыми он может работать. Поэтому, в этой статье я не буду говорить о «динамическом диапазоне» музыки. Вместо этого, я буду использовать такие термины, как «RMS-вариабельность» или, в более широком смысле, «динамическая вариабельность». А термин «динамический диапазон» мы оставим для определения отношения сигнал/шум носителя записи. Я буду использовать термин «диапазон громкости» в строгом соответствии с документом EBU 3342 и термин «вариабельность громкости» во всех других случаях, вовлекающих понятие громкости вместо RMS.

Источник звуковых колебаний излучает в окружающее пространство энергию. Количество звуковой энергии, проходящей за секунду через площадь в 1 м2, расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковых колебаний, называют интенсивностью (силой) звука.

Когда мы ведем обычный разговор, мощность потока энергии приблизительно равен 10 мкВт. Мощность самых громких звуков скрипки может составлять 60 мкВт, а мощность звуков органа - от 140 до 3200 мкВт.

Человек слышит звук в чрезвычайно широком диапазоне звуковых давлений (интенсивностей). Одной из опорных величин этого диапазона является стандартный порог слышимости - эффективное значение звукового давления, создаваемого гармоническим звуковым колебанием частоты 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней чувствительностью слуха.

Порогу слышимости соответствует интенсивность звука Iзв0 = 10-12 Вт/м2 или звуковое давление pзв0 = 2Ч10-5 Па.

Верхний предел определяется значениями Iзв. макс. = 1 Вт/м2 или pзв. макс. = 20 Па. При восприятии звука такой интенсивности у человека появляются болевые ощущения.

В области звуковых давлений, существенно превышающих стандартный порог слышимости, величина ощущения пропорциональна не амплитуде звукового давления pзв, а логарифму отношения pзв/pзв0. Поэтому звуковое давление и интенсивность звука часто оценивают в логарифмических единицах децибелах (дБ) по отношению к стандартному порогу слышимости.

Диапазон изменения звуковых давлений от абсолютного порога слышимости до болевого порога составляет для разных частот от 90 дБ до 130 дБ.

Если ухо человека воспринимает одновременно два или несколько звуков различной громкости, то более громкий звук заглушает (поглощает) слабые звуки. Происходит так называемая маскировка звуков, и ухо воспринимает только один, более громкий, звук. Сразу после воздействия на ухо громкого звука снижается восприимчивость слуха к слабым звукам. Эта способность называется адаптацией слуха.

Таким образом, порог слышимости в значительной степени зависит от условий прослушивания: в тишине или же на фоне шума (или другого мешающего звука). В последнем случае порог слышимости повышается. Это свидетельствует о том, что помеха маскирует полезный сигнал.

Слуховой аппарат человека обладает определенной инерционностью: ощущение возникновения звука, а также его прекращения появляется не сразу.

Аудиосигнал является случайным процессом. Его акустические или электрические характеристики непрерывно изменяются во времени. Пытаться отследить случайные изменения реализаций этого хаоса - занятие, имеющее не много смысла. Обуздать его величество случай, придать ему черты детерминированности можно, используя усредненные параметры, такие, как уровень аудиосигнала.

Уровень аудиосигнала характеризует сигнал в определенный момент и представляет собой выраженное в децибелах выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий промежуток времени напряжение аудиосигнала.

Под динамическим диапазоном аудиосигнала понимают отношение максимального звукового давления к минимальному или отношение соответствующих напряжений. В таком определении нет сведений о том, какое давление и напряжение считается максимальным и минимальным. Наверное, поэтому определенный таким образом динамический диапазон сигнала, называется теоретическим. Наряду с этим динамический диапазон аудиосигнала можно определить и экспериментально как разность максимального и минимального уровней для достаточно длительного периода. Это значение существенно зависит от выбранного времени измерения и типа измерителя уровней.

Динамические диапазоны музыкальных и речевых акустических сигналов разных типов, измеренные с помощью приборов, составляют в среднем:

80 дБ для симфонического оркестра

45 дБ для хора

35 дБ для эстрадной музыки и солистов-вокалистов

25 дБ для речи дикторов

При записи уровни необходимо регулировать. Объясняется это тем, что исходные (необработанные) сигналы зачастую имеют большой динамический диапазон (например, до 80 дБ у симфонической музыки), а в домашних условиях аудиопрограммы прослушиваются в диапазоне порядка 40 дБ.

Ручной регулировке уровней присущ недостаток. Время реакции звукорежиссера составляет около 2 с даже если партитура композиции ему заранее известна. Это приводит к погрешности в поддержании максимальных уровней музыкальных программ до 4 дБ в обе стороны.

Усилители, акустические системы да и уши человека нужно защищать от перегрузок, вызванных резкими скачкообразными изменениями амплитуды аудиосигнала - ограничивать сигнал по амплитуде.

Динамический диапазон сигнала нужно согласовывать с динамическими диапазонами устройств записи, усиления, передачи.

Для увеличения дальности действия FM радиостанций динамический диапазон аудиосигнала нужно сжимать. Для снижения уровня шума в паузах динамический диапазон желательно увеличивать.

В конце концов, мода, диктующая свои условия во всех сферах человеческой деятельности, в том числе и в звукозаписи, требует насыщенного, плотного звучания современной музыки, которое достигается резким сужением ее динамического диапазона.

Звуковая волна (огибающая громкости) фрагмента оперы С. Рахманинова "Алеко",

и современной танцевальной музыки.

В классической музыке важны нюансы, танцевальная музыка должна быть "сильнодействующей".

Этим диктуется необходимость в применении устройств автоматической обработки уровней сигналов.

Все права в отношении данного документа принадлежат автору. Воспроизведение данного текста или его части допускается только с письменного разрешения автора.

Б иты, герцы... Что скрывается за этими понятиями? При разработке стандарта аудио компакт дисков были приняты значения 44 кГц, 16 бит. Почему именно столько? В чем причина выбора, а также - почему предпринимаются попытки повысить эти значения до, скажем, 96 кГц и 24 или даже до 32х битов...

Разберемся сначала с разрешением сэмплирования - то есть с битностью. Так уж получается, что выбирать приходится между числами 16, 24 и 32. Промежуточные значения были бы, конечно, удобнее в смысле звука, но слишком неприятны для использования в цифровой технике.

За что отвечает этот параметр? В двух словах - за динамический диапазон. Диапазон одновременно воспроизводимых громкостей - от максимальной амплитуды (0 дБ) до той наименьшей, которую позволяет передать разрешение, например - примерно -93 дБ для 16 битного аудио. Как не странно, это сильно связано с уровнем шумов фонограммы. В принципе, для, к примеру, 16 битного аудио вполне возможна передача сигналов мощностью и в -120 дБ, однако эти сигналы будет затруднительно применять на практике из-за такого фундаментального понятия как шум дискретизации . Дело в том, что при взятии цифровых значений мы все время ошибаемся, округляя реальное аналоговое значение до ближайшего возможного цифрового. Самая маленькая возможная ошибка - нулевая, максимально же мы ошибаемся на половину последнего разряда (бита, далее термин младший бит будет сокращаться до МБ). Эта ошибка дает нам так называемый шум дискретизации - случайное несоответствие оцифрованного сигнала оригиналу. Этот шум носит постоянный характер и имеет максимальную амплитуду равную 0.5МБ. Это можно рассматривать как случайные значения, подмешанные в цифровой сигнал. Иногда это называется шум округления или квантования.

Остановимся подробнее на том, что понимается под мощностью сигналов, измеряемой в битах. Самый сильный сигнал в цифровой обработке звука принято принимать за 0 дБ, это соответствует всем битам, поставленным в 1. Если старший бит (далее СБ) обнулить, получившееся цифровое значение будет в два раза меньше, что соответствует потере уровня на 6 дБ. Никакими другими битами кроме СБ нельзя добиться уровня выше -6 дБ. Соответственно - старший бит как бы отвечает за наличие уровня сигнала от -6 до 0 дБ, поэтому СБ - это бит 0 дБ. Предыдущий бит отвечает за уровень -6 дБ, ну а самый младший, таким образом - за уровень (число_бит-1) * 6 дБ. В случае 16 битного звука, МБ соответствует уровень в -90 дБ. Когда мы говорим 0.5МБ, мы имеем в виду не -90/2, а половину шага до следующего бита - то есть еще на 3 дБ ниже, -93 дБ.

Возвращаемся к выбору разрешения оцифровки. Как уже было сказано, оцифровка вносит шум на уровне 0.5МБ, это говорит о том, что запись, оцифрованная в 16 бит, постоянно шумит на -93 дБ. Она может передавать сигналы и тише, но шум все равно остается на уровне -93 дБ. По этому признаку и определяется динамический диапазон цифрового звука - там, где соотношение сигнал/шум переходит в шум/сигнал (шумов больше, чем полезного сигнала), находится граница этого диапазона снизу. Таким образом, главный критерий оцифровки - сколько шума мы можем себе позволить в восстановленном сигнале? Ответ на этот вопрос зависит отчасти от того, сколько шума было в исходной фонограмме. Важный вывод - если мы оцифровываем нечто с уровнем шумов -80 дБ - нет совершенно никаких причин цифровать это в более чем 16 бит, так как, с одной стороны, шумы -93 дБ добавляют очень мало к уже имеющимся огромным (сравнительно) шумам -80 дБ, а с другой стороны - тише чем -80 дБ в самой фонограмме уже начинается шум/сигнал, и оцифровывать и предавать такой сигнал просто не нужно.

Теоретически это единственный критерий выбора разрешения оцифровки. Больше мы не вносим совершенно никаких искажений или неточностей. Практика, как не странно, почти полностью повторяет теорию. Этим и руководствовались те люди, которые выбирали разрешение 16 бит для аудио компакт дисков. Шум -93 дБ - довольно хорошее условие, которое почти точно соответствует условиям нашего восприятия: разница между болевым порогом (140 дБ) и обычным шумовым фоном в городе (30-50 дБ) составляет как раз около сотни дБ, и если учесть, что на уровне громкости, приносящем боль, музыку не слушают - что еще несколько сужает диапазон - получается, что реальные шумы помещения или даже аппаратуры получаются гораздо сильнее шумов дискретизации. Если мы можем расслышать уровень под -90 дБ в цифровой записи - мы услышим и воспримем шумы дискретизации, иначе - мы просто никогда не определим, оцифрованное это аудио или живое. Никакой другой разницы в смысле динамического диапазона просто нет. Но в принципе, человек может осмысленно слышать в диапазоне 120 дБ, и было бы неплохо сохранить весь этот диапазон, с чем 16 бит, казалось бы, не справляются.

Но это только на первый взгляд: с помощью специальной техники, называемой shaped dithering , можно изменить частотный спектр шумов дискретизации, почти полностью вынести их в область более 7-15 кГц. Мы как бы меняем разрешение по частоте (отказываемся от воспроизведения тихих высоких частот) на дополнительный динамический диапазон в оставшемся отрезке частот. В сочетании с особенностями нашего слуха - наша чувствительность к выкидываемой области высоких частот на десятки дБ ниже чем в основной области (2-4 кГц) - это делает возможным относительно бесшумную передачу полезных сигналов дополнительно еще на 10-20 дБ тише, чем -93 дБ - таким образом, динамический диапазон 16 битного звука для человека составляет около 110 дБ. Да и вообще - одновременно человек просто не может слышать звуки на 110 дБ тише чем только что услышанный громкий звук. Ухо, как и глаз, подстраивается под громкость окружающей действительности, поэтому одновременный диапазон нашего слуха составляет и совсем сравнительно мало - около 80 дБ. Поговорим о dithring-е подробнее после обсуждения частотных аспектов.

Для компакт дисков выбрана частота дискретизации 44100 Гц. Бытует мнение, что это означает, что воспроизводятся все частоты до 22.05 кГц, однако это не совсем так. Однозначно можно сказать лишь то, что частот выше 22.05 кГц в оцифрованном сигнале нет. Реальная же картина воспроизведения оцифрованного звука всегда зависит от конкретной техники и всегда не настолько идеальна, как хотелось бы, и как соответствует теории. Все зависит от конкретного ЦАПа.

Разберемся сначала, что нам хотелось бы получить. Человек среднего возраста (скорее молодой) может чувствовать звуки от 10 Гц до 20 кГц, осмысленно слышать - от 30 Гц до 16 кГц. Звуки выше и ниже воспринимаются, но не составляют акустических ощущений. Звуки выше 16 кГц ощущаются как раздражающий неприятный фактор - давление на голову, боль, особо громкие звуки приносят такой резкий дискомфорт, что хочется покинуть помещение. Неприятные ощущения настолько сильны, что на этом основано действие охранных устройств - несколько минут очень громкого звука высокой частоты сведут с ума кого угодно, и воровать что либо в такой обстановке становится решительно невозможно. Звуки ниже 30 - 40 Гц при достаточной амплитуде воспринимаются как вибрация, исходящая от объектов (колонок). Вернее будет даже сказать так - просто вибрация. Человек акустически почти не определяет пространственное положение настолько низких звуков, поэтому в ход уже идут другие органы чувств - осязательные, мы чувствуем такие звуки телом.

Для передачи звука как он есть было бы неплохо сохранить весь хоть как либо воспринимаемый диапазон от 10 Гц до 20 кГц. С низкими частотами в теории в цифровой записи проблем совершенно никаких нет. На практике же - все ЦАПы, работающие по дельта-технологии, имеют потенциальный источник проблем. Таких устройств сейчас 99%, поэтому проблема так или иначе имеет место быть, хотя откровенно плохих устройств почти нет (лишь самые дешевые схемы). Можно считать, что с низким частотами все обстоит благополучно - в конце концов, это лишь вполне решаемая проблема воспроизведения, с которой успешно справляются хорошо сконструированные ЦАПы ценой более $1.
С высокими частотами все немного хуже, по крайней мере точно сложнее . Почти вся суть усовершенствований и усложнений ЦАПов и АЦП направлена как раз на более достоверную передачу высоких частот. Под "высокими" подразумеваются частоты сравнимые с частотой дискретизации - то есть в случае 44.1 кГц это 7-10 кГц и выше. Поясняющий рисунок:

На рисунке изображена частота 14 кГц, оцифрованная с частотой дискретизации 44.1 кГц. Точками обозначены моменты взятия амплитуды сигнала. Видно, что на один период синусоиды приходится около трех точек, и чтобы восстановить исходную частоту в виде синусоиды, надо проявить некоторую фантазию. Саму синусоиду рисовала программа CoolEdit, она и проявляла фантазию - восстанавливала данные. Аналогичный процесс происходит и в ЦАПе, этим занимается восстанавливающий фильтр. И если сравнительно низкие частоты представляют собой почти готовые синусоиды, то форма и, соответственно, качество восстановления высоких частот лежит целиком на совести восстанавливающей системы ЦАПа. В CoolEdit очень хороший восстанавливающий фильтр, но и он не справляется в экстремальном случае - например, частота 21 кГц:

Видно, что форма колебаний (синие линии) далека от правильной, да и свойства появились, которых ранее не было. Это и составляет основную проблему при воспроизведении высоких частот. Проблема, однако, не так страшна, как может показаться. Во всех современных ЦАП используется технология пересэмплирования (multirate), которая заключается в цифровом восстановлении до в несколько раз более высокой частоты дискретизации, и в последующем переводе в аналоговый сигнал на повышенной частоте. Таким образом проблема восстановления высоких частот перекладывается на плечи цифровых фильтров, которые могут быть очень качественными. Настолько качественными, что в случае дорогих устройств проблема полностью снимается - обеспечивается неискаженное воспроизведение частот до 19-20 кГц. Пересэмплирование применяется и в не очень дорогих устройствах, так что в принципе и эту проблему можно считать решенной. Устройства в районе $30 - $60 (звуковые карты) или музыкальные центры до $600, обычно аналогичные по ЦАПу этим звуковым картам, отлично воспроизводят частоты до 10 кГц, сносно - до 14 - 15, и кое-как остальные. Этого вполне достаточно для большинства реальных музыкальных применений, а если кому-то нужно большее качество - он найдет его в профессионального класса устройствах, которые не то чтобы сильно дороже - просто они сделаны с умом.

Вернемся к dithering-у - посмотрим, как можно с пользой увеличить динамический диапазон за пределы 16 бит.

Идея dithering-а заключается в том, чтобы подмешать в сигнал шум . Как не странно это звучит - для того чтобы уменьшить шумы и неприятные эффекты квантования, мы добавляем свой шум. Рассмотрим пример - воспользуемся возможностью CoolEdit-а работать в 32х битах. 32 бита - это в 65 тысяч раз большая точность, нежели 16 бит, поэтому в нашем случае 32х битный звук можно считать аналоговым оригиналом, а перевод его в 16 бит - оцифровкой. Изображение показывает 32х битый звук - музыка, записанная на таком тихом уровне, что самые громкие моменты достигают лишь -110 дБ:

Это с запасом гораздо тише динамического диапазона 16 битного звука (1МБ 16 битного представления равняется единице по шкале справа), поэтому если просто округлить данные до 16 бит - мы получим полную цифровую тишину.

Добавим в сигнал белый шум с уровнем в 1МБ - это -90 дБ (примерно соответствующий по уровню шумам квантования):

Преобразуем в 16 бит (возможны только целые значения - 0, 1, -1, ...):

(Не обращайте внимание на синюю линию, которая принимает и промежуточные значения - это фильтр CoolEdit моделирует реальную амплитуду после восстанавливающего фильтра. Точки же взятия амплитуд расположены только на значениях 0 и 1)

Как видно, какие-то данные остались. Там, где исходный сигнал имел больший уровень, больше значений 1, где меньший - нулей. Чтобы услышать то, что мы получили, усилим сигнал на 14 бит (на 78 дБ). Результат можно скачать и послушать (dithwht.zip , 183 кб).

Мы слышим этот звук с огромными помехами в -90 дБ (до усиления для прослушивания), тогда как полезный сигнал составляет всего -110 дБ. Мы уже имеем передачу звука с уровнем -110 дБ в 16 битах. В принципе, это и есть стандартный способ расширения динамического диапазона, получающийся часто чуть ли не сам собой - шума везде хватает. Однако само по себе это довольно бессмысленно - уровень шумов дискретизации так и остается на прежнем уровне, а передавать сигнал слабее шума - занятие не очень понятное с точки зрения логики...

Более сложный способ - shaped dithering . Идея в том, что раз мы все равно не слышим высоких частот в очень тихих звуках, значит следует основную мощность шума направить в эти частоты, при этом можно даже воспользоваться большим шумом - я воспользуюсь уровнем в 4МБ (это два бита шума). Усиленный результат после фильтрации высоких частот (мы не услышали бы их в нормальной громкости этого звука) - ditshpfl.zip , 1023 кб (к сожалению, звук перестал архивироваться). Это уже вполне хорошая (для запредельно низкой громкости) передача звука, шумы примерно равняются по мощности самому звуку с уровнем -110 дБ! Важное замечание: мы повысили реальные шумы дискретизации с 0.5МБ (-93 дБ) до 4МБ (-84 дБ), понизив слышимые шумы дискретизации с -93 дБ до примерно -110 дБ. Отношение сигнал/шум ухудшилось , но шум ушел в высокочастотную область и перестал быть слышимым, что дало существенное улучшение реального (воспринимаемого человеком) отношения сигнал/шум. Практически это уже уровень шумов дискретизации 20 битного звука. Единственное условие этой технологии - наличие частот для шума. 44.1 кГц звук дает возможность размещать шум в неслышимых на тихой громкости частотах 10-20 кГц. А вот если оцифровывать в 96 кГц - частотная область для шума (неслышимая человеком) будет настолько велика, что при использовании shaped dithering 16 бит реально превращаются и во все 24.

[На заметку: PC Speaker - однобитное устройство, с однако довольно высокой максимальной частотой дискретизации (включения/выключения этого единственного бита). С помощью процесса, сходного по сути с dithering-ом, называемым скорее широтно-импульсная модуляция, на нем игрался довольно качественный цифровой звук - из одного бита и высокой частоты дискретизации вытягивались 5-8 бит низкой частоты, а фильтром высокочастотного шума выступала неспособность аппаратуры воспроизводить столь высокие частоты, как впрочем и наша неспособность их слышать. Легкий высокочастотный свист, однако - слышимая часть этого шума - был слышен.]

Таким образом, shaped dithering позволяет существенно понизить и без того низкие шумы дискретизации 16 битного звука, спокойно расширив таким образом полезный (бесшумный) динамический диапазон на всю область человеческого слуха. Поскольку сейчас уже всегда при переводе из рабочего формата 32 бит в конечный 16 бит для CD используется shaped dithering - наши 16 бит совершенно достаточны для полной передачи звуковой картины.

Единственное что - эта технология действует только на последней стадии - подготовке материала к воспроизведению. Во время обработки качественного звука просто необходимо оставаться в 32х битах, чтобы не применять dithering после каждой операции, более качественно кодируя результаты обратно в 16 бит. Но если уровень шума фонограммы составляет более -60 дБ - можно без малейших зазрений совести вести всю обработку в 16 битах. Промежуточный dithering обеспечит отсутствие искажений округления, а добавленный им шум в сотни раз слабее уже имеющегося и поэтому совершенно безразличен.

Q:

Почему говорят, что 32-х битный звук качественнее 16 битного?
A1:	Ошибаются.
A2:	[Имеют в виду немного другое: при обработке или записи звука нужно использовать большее разрешение. Этим пользуются всегда . Но в звуке как в готовой продукции разрешение более 16 бит не требуется.]
Q:	Имеет ли смысл увеличивать частоту дискретизации (например до 48 кГц или до 96)?
A1:	Не имеет. При хоть сколь грамотном подходе в конструировании ЦАП 44 кГц передают весь необходимый частотный диапазон.
A2:	[Имеют в виду немного другое: это имеет смысл, но лишь при обработке или записи звука.]
Q:	Почему всё же идет внедрение больших частот и битности?
A1:	Прогрессу важно двигаться. Куда и зачем - уже не столь важно...
A2:	Многие процессы в этом случае происходят легче. Если, например, устройство собирается обработать звук - ему будет легче это сделать в 96 кГц / 32 бита. Почти все DSP используют 32 бита для обработки звука, и возможность забыть про преобразования - облегчение разработки и всё же небольшое увеличение качества. Да и вообще - звук для дальнейшей обработки имеет смысл хранить в большем разрешении, нежели 16 бит. Для hi-end устройств которые лишь воспроизводят звук это абсолютно безразлично.
Q:	32х или 24х или даже 18 битные ЦАП лучше чем 16 битные?
A:	В общем случае - нет . Качество преобразования нисколько не зависит от битности. В AC"97 кодеке (современная звуковая карта до $50) используется 18 битный кодек, а в картах за $500, звук которых с этой ерундой даже сравнивать нельзя - 16 битный. Это не имеет абсолютно никакого значения для воспроизведения 16 битного звука . Стоит также иметь в виду, что большинство ЦАПов обычно реально воспроизводят меньше бит, чем берутся. Например, реальный уровень шумов типичного дешевого кодека составляет -90 дБ, что составляет 15 бит, и даже если он сам 24х битный - вы не получите никакой отдачи от "лишних" 9 бит - результат их работы, даже если он имелся, потонет в их же собственном шуме. Большинство же дешевых устройств просто игнорируют дополнительные биты - они просто реально не идут в расчет в их процессе синтеза звука, хотя и поступают на цифровой вход ЦАПа.
Q:	А для записи?
A:	Для записи - лучше иметь АЦП большей разрядности. Опять же, большей реальной разрядности. Разрядность ЦАПа должна соответствовать уровню шумов исходной фонограммы, или просто быть достаточной для достижения желаемо низкого уровня шума . Также удобно бывает иметь разрядность с запасом, чтобы использовать повышенный динамический диапазон для менее точной регулировки уровня записи. Но помните - вы должны всегда попадать в реальный диапазон кодека. В реальности 32х битный АЦП, к примеру, почти полностью бессмысленнен , так как младший десяток бит будут просто непрерывно шуметь - настолько малого шума (под -200 дБ) просто не бывает в аналоговом музыкальном источнике.

Требовать от звука повышенной разрядности или частоты дискретизации, по сравнению с CD, лучшего качества - не стоит. 16 бит / 44 кГц, доведенные до предела с помощью shaped dithering, вполне способны полностью передать интересующую нас информацию, если дело не идет о процессе звукообработки. Не стоит тратить место на лишние данные готового материала, также как не стоит ожидать повышенного качества звука от DVD-Audio с его 96 кГц / 24 бит. При грамотном подходе при создании звука в формате стандартного CD мы будем иметь качество, которое просто не нуждается в дальнейшем улучшении, а ответственность за правильную звукозапись конечных данных давно взяли на себя разработанные алгоритмы и люди, умеющие правильно их использовать. В последние несколько лет вы уже не найдете нового диска без shaped dithering и других приемов доведения качества звукопередачи до предела. Да, ленивым или просто криворуким будет удобнее давать готовый материал в 32х битах и 96 кГц, но по идее - стоит ли это в несколько раз больших аудио данных?...

Максимальное звуковое давление, создаваемое источником звука, равно 2 Па, минимальное 0,02 Па. Определите динамический диапазон источника звука и допустимый уровень шумов в помещении, если уровень шума меньше уровня сигнала на 20 дБ

N max- N min= 20 Lg = 20 Lg= 40 дБ

20 Lg = 20 дБ

P= = Па

Ответ: Dc= 40 дБ,P= Па

)Перечислите основное оборудование студий звукового вещания.

Студией называется акустически обработанное помещение, предназначенное для создания различных вещательных передач. Студии звукового вещания делятся на большие, средние и малые концертные (музыкальные), речевые, литературно-драматические студии. Каждая студия должна иметь оптимальные акустические характеристики. Стены, пол, потолок студии покрывают звукопоглощающими материалами.1.Пористый поглотитель - высокочастотный поглотитель2.Резонансный поглотитель - низкочастотный поглотитель3.Перфорированные конструкции - изменяя шаг перфорации, диаметр, толщину, расстояние, можно в широких пределах изменять частотную характеристику коэффициента поглощения. Студии оборудуются микрофонами, пультами диктора и контрольными громкоговорителями. При студиях оборудуются аппаратные, совместно образующие аппаратно студийный блок.Если студия используется для звукозаписи и вещания, то при ней оборудуется две студийные аппаратные: записи и вещания.В аппаратные для записи устанавливают пульт звукорежиссера, записывающие устройства и контрольный громкоговоритель.Вещательная аппаратная образуется пультом звукорежиссера, а так же устройствами коммутации и сигнализации о готовности последующего вещательного тракта к началу вещания.

) Опишите принцип действия и работу микрофона, применяемого в студиях для записи речи.

Микрофон - можно сказать основное звуковое устройство. Он занимается тем, что преобразует колебания звука в электроэнергию, точнее в колебания тока.Микрофоны в основе своей состоят из механико-электрической системы и акустико-механической части. Система преобразования в микрофонах развивалась с годами и выделила несколько типов микрофонов:· Конденсаторные;· Динамические;· Ленточные;

Конденсаторный микрофон

Рисунок 1. Конденсаторный микрофон

Более научно - электростатические микрофоны, в свою очередь, делятся на конденсаторные ламповые микрофоны и конденсаторные транзисторные микрофоны (по типу применяемого усилителя). А транзисторные микрофоны делятся на электретные микрофоны (они чаще работают от батареек) и обычные конденсаторные (они чаще работают от фантомного питания). Строго говоря, электретный микрофон тоже может быть ламповым, и подобные эксперименты проводились лично автором (и не безуспешно), но, в силу того, что в основной своей массе электретные капсюли по характеристикам хуже классических конденсаторных, промышленного производства электретных ламповых микрофонов, скорее всего, не существует.

В отличие от динамических, конденсаторные микрофоны устроены по принципу конденсатора. Капсюль конденсаторного микрофона не вырабатывает электричества, сколько бы мы его ни болтали. Зато он меняет свою ёмкость, так как при колебаниях под воздействием звука, мембрана, являющаяся одной из пластин колеблется относительно неподвижного, хорошо отполированного электрода. Чтобы получить электрический сигнал, на капсюль приходится подавать поляризующее напряжение (20...120В) и включать в самую простую электрическую цепь (контур): конденсатор + сопротивление + источник энергии, и тогда мы можем уже усиливать полученный сигнал, снимая его с того самого сопротивления, в контур с которым соединён капсюль-конденсатор.

Особенность состоит в том, что для усиления этого сигнала не подходит обычный вход пульта, и в каждом конденсаторном микрофоне стоит специальный согласующий каскад на полевом транзисторе или электронной лампе, после которого, уже "окрепший" сигнал можно подавать в микшерский пульт или другие устройства. Хотя сигнал с конденсаторного микрофона, как правило, больше по уровню, чем с динамического микрофона, тем не менее, он всё равно предназначен для микрофонных, а не для линейных входов устройств.Вес колеблющейся пластины-диафрагмы (мембраны) в конденсаторном микрофоне значительно меньше веса диафрагмы с катушкой динамического микрофона, поэтому, за счёт меньшей инерции, конденсаторный микрофон обеспечивает более точную и качественную звуковую картину по сравнению с динамическим микрофоном, имеют более широкий частотный диапазон.Следует отметить, что амплитуда изменения электрического сигнала, снимаемого с конденсаторной системы, в отличие от электродинамической системы не прямо пропорциональны силе звука, воздействующего на диафрагму, а имеет квадратичную зависимость. И только благодаря математике, так сказать, теории малых сигналов, инженеры делают допуск, что при столь малых амплитудах изменения ёмкости, как в конденсаторном микрофоне, нелинейностью преобразования можно пренебречь. И практика показывает, что это работает.Капсюли электретных микрофонов, в отличие от капсюлей классических конденсаторных микрофонов не требуют напряжения поляризации, так как содержат перманентно поляризованный (электретный) материал, располагающийся либо в пластине, либо в самой диафрагме. Однако, в силу технологических особенностей, создать электретный капсюль высокого качества, а, тем более, большого размера, весьма затруднительно. Поэтому электретные микрофоны получили большее распространение в бытовой технике (диктофонах, мобильных телефонах и современных домашних телефонах) и системах подзвучки инструментов и актёров на сцене.
В отличие от динамических микрофонов, все конденсаторные микрофоны требуют питания усилителя, а неэлектретные нуждаются ещё и в поляризующем напряжении. Питание конденсаторных микрофонов происходит или от батареек, или от отдельного блока питания (БП), или от фантомного питания по сигнальному шнуру.Фантомное питание начали применять как только технология электроники и схемотехники шагнула в сторону полевых транзисторов, и лампу, без которой ранее конденсаторный микрофон не мог существовать, заменили полевым транзистором, не нуждающимся ни в высоком анодном напряжении, ни в сильноточном питании накала. Ток потребления усилителя на полевом транзисторе настолько мал, что питание без проблем можно передать по тем же проводам, что и сигнал. При этом соблюсти нужно лишь одно условие, проводов в кабеле должно быть два, не считая экранирующего. Есть два способа подачи питания: либо питание идёт по отдельному (второму) проводу, либо и питание сигнал идут одновременно по двум проводам, но с разными знаками полярности. Второй способ прижился, как более универсальный, позволяющий во-первых коммутировать теми же проводами и динамические микрофоны, и, во-вторых, повышающий помехозащищённость линии (провода). Эта система называется симметричная (балансная) линия. В ней звуковой сигнал передаётся в противофазе, разъединяясь на выходе и складываясь на входе специальными трансформаторами или усилителями. Питание же усилителя конденсаторного микрофона передаётся по обоим проводам с одним и тем же знаком (+48В), и для того, чтобы оно не попало в полезный сигнал, его отфильтровывают специальными развязками, с помощью того же трансформатора или разделительных конденсаторов.При этом наличие в проводах фантомного питания нисколько не мешает динамическим микрофонам (если конечно он профессиональный симметричный и распаян правильным образом), наоборот, наличие постоянного напряжения ещё больше увеличивает помехозащищённость симметричной линии, "отталкивая" помехи уровнем ниже +48В.Следует отметить, что ламповый конденсаторный микрофон не может работать от фантомного питания, так как лампа, находящаяся внутри микрофона и усиливающая сигнал, требует своих напряжений и токов (как минимум, накальное и анодное питание), которые невозможно синтезировать (высосать) из стандартного слаботочного фантомного питания. Фантомное питание может выдержать нагрузку 10...20мА, в то время как ток накала лампы составляет до 500мА!Ламповые микрофоны делаются не для получения жирности или, как говорят, "ламповости" звука, как иногда можно встретить в источниках. Просто именно с лампового микрофона, собственно, и началась история конденсаторных микрофонов вообще. Это произошло потому, что транзисторов подходящих характеристик в то время попросту не было изобретено. Когда же транзисторы появились, их внедрение началось слишком быстро, и не всегда продуманно, поэтому большая часть транзисторных микрофонов 70...80-х годов, особенно бытовых, оказалось посредственного качества, из-за чего взоры звукорежиссёров вновь были обращены к ламповым микрофонам (та же ситуация произошла и со звукоусилительной техникой - усилителями мощности).

В результате ситуация на микрофонном рынке до сих пор остаётся противоречивой. Существует ряд моделей с прекрасными капсюлями, звучание которых подавлено внутренними транзисторными усилителями, и существует ряд старых ламповых микрофонов, капсюли которых уже оставляют желать лучшего, но за ними почему-то до сих пор найдётся масса охотников.Возможно, если бы история началась сразу с транзисторной техники, слово было бы за ней. Другой разговор, что само существование электронной усилительной лампы делает ненужным дополнительные изыскания и совершенствование транзисторной схемотехники микрофонов. Действительно, усилительный каскад на электронной лампе имеет ряд объективных преимуществ.Прежде всего, это большой коэффициент усиления в одном единственном каскаде (то есть сигнал преобразуется лишь один раз, в отличие от транзисторного каскада при том же усилении или, тем более, микросхемы). Во-вторых, это огромный динамический диапазон электрического тракта, обусловленный высоким напряжением питания лампового каскада. А всем известно, что большой динамический диапазон (то есть запас по перегрузке) - это, прежде, всего прозрачность звука. В-третьих, это сам принцип преобразования сигнала в вакууме, а не на пластине полупроводника (даже само это предложение уже звучит загадочно и маняще), возможно, именно он сохраняет или даже добавляет некую магию в сигнал на выходе микрофона...

Но! Всё это не делает сигнал более "жирным", и уж точно не имеет отношения к компрессии сигнала (если речь не идёт о записи какого-нибудь оперного монстра, способного создать такое звуковое давление, что сигнал в усилителе лампового микрофона подойдёт к уровню максимального). Поэтому, не ждите от ламповых микрофонов чудес, они не сделают работу звукорежиссёра по вписыванию вокалиста в фонограмму за Вас. Ламповые микрофоны всего лишь честнее, и живее своих транзисторных собратьев. И ещё один момент, касающийся выбора в пользу ламповых микрофонов - это качество капсюлей. Что же касается размеров самой лампы и выделяемого ею тепла, то эти недостатки уже давно преодолены разработкой миниатюрных ламп и нувисторов (металлокерамических миниламп).

Динамический микрофон

Рисунок 2. Динамический микрофон

Динамический микрофон (более верно - электродинамический микрофон) в свою очередь может быть катушечным и ленточным (о ленточных микрофонах мы поговорим отдельно).Механизм действия динамического катушечного микрофона можно представить как обратный механизму действия динамика. Здесь диафрагма присоединена к катушке из тонкого провода, расположенной в магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. Динамический микрофон это минигенератор электроэнергии, практически аналогичный генератору автомобиля, только катушка не крутится, а ёрзает туда-сюда (как в динамике акустической системы) под действием звука. И на обоих концах (выводах) катушки образуется электрический сигнал. Не большой (5...15мВ), но достаточный, чтобы его затем усилить и отличить от шумов усилителя. Достаточно простая конструкция динамического микрофона обуславливает его относительную дешевизну, прочность и меньшую требовательность к условиям окружающей среды. В некоторых динамических микрофонах (особенно старого образца, когда технологии были несовершенны) для расширения частотного диапазона применяются два капсюля - низкочастотный и высокочастотный, подобно двухполосным акустическим системам. В таких микрофонах имеется, как и в двухполосных акустических системах, разделительный фильтр-кроссовер, соединяющий сигналы от обоих капсюлей в один сигнал.

Ленточный микрофон

Рисунок 3. Ленточный микрофон

Несмотря на то, что ленточные микрофоны относятся по конструктивным признакам к динамическим микрофонам, мы всё же выделим их в отдельную группу, так как по звучанию они ближе к конденсаторным микрофонам. Происходит это потому, что сама ленточка, являющаяся преобразователем звука в сигнал, также как и в случае с конденсаторным микрофоном, имеет очень малый вес, малую инерцию. Кроме того, она не натянута, как мембрана в конденсаторном микрофоне, а висит достаточно свободно, поэтому собственный резонанс ленточки сдвинут в инфранизкие частоты, и не окрашивает звук ни снизу, как динамические микрофоны, ни сверху, как конденсаторные микрофоны.Алюминиевая лента, находясь в магнитном поле и повторяя колебания воздуха, генерирует электрический сигнал, подающийся на первичную обмотку трансформатора для согласования низкого сопротивления ленты с входным сопротивлением усилителя.
Хрупкость в изготовлении и эксплуатации и слабый сигнал - основные недостатки ленточных микрофонов. Преодолеть можно только последний их них: технология малошумящих транзисторов шагнула далеко вперёд, и теперь от уровня шума можно несколько отодвинуться, хотя при этом микрофон всё равно остаётся транзисторным. Производить же ламповые ленточные микрофоны, отвечающие современным стандартам, весьма затратно, поэтому и стоят такие микрофоны для рядовой студии недосягаемо дорого.

)Определите динамический диапазон D и частоту дискретизации звукового сигнала, передаваемого в цифровой форме, а так же скорость цифрового потока на выходе АЦП. При N=8, Fmax=3,4 кГц, n=2.

Решение:=6*N+2=6*8+2=50 дБ= (2,1/2,4)*Fmax=2,2*3,4= 7,48 кГц=Fg*(N+n)= 7,48*(2+8)=74,8 кбит/с

Ответ: D=50дБ; Fg=7,48 кГц; Q=74,8 кбит/с

) Приведите структурную схему АЦП для преобразования звукового сигнала в дискретную форму. Поясните назначение генератора белого шума (ГБШ).

АнтиэластичныйУстройствоАЦП

фильтрвыработки и

хранения

Рисунок 4. Структурная схема АЦП

Генератор белого шума

Самым простым методом получения белого шума является использование шумящих электронных элементов (ламп, транзисторов, различных диодов) с усилением напряжения шума.

Рисунок 5. ГБШ

Источником шума является полупроводниковый диод - стабилитрон VD1 типа КС168, работающий в режиме лавинного пробоя при очень малом токе. Сила тока через стабилитрон VD1 составляет всего лишь около 100 мкА. Шум, как полезный сигнал, снимается с катода стабилитрона VD1 и через конденсатор С1 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД1208. На неинвертирующий вход этого усилителя поступает напряжение смещения, равное половине напряжения питания с делителя напряжения, выполненного на резисторах R2 и R3. Режим работы микросхемы определяется резистором R5, а коэффициент усиления - резистором R4. С нагрузки усилителя, переменного резистора R6, усиленное напряжение шума поступает на усилитель мощности, выполненный на микросхеме DA2 типа К174ХА10. С выхода усилителя шумовой сигнал через конденсатор С4 поступает на малогабаритный широкополосный громкоговоритель В1. Уровень шума регулируется резистором R6. Стабилитрон VD1 генерирует шум в широком диапазоне частот от единиц герц до десятков мегагерц. Однако на практике он ограничен АЧХ усилителя и громкоговорителя. Стабилитрон VD1 подбирается по максимальному уровню шума. Вместо усилителя на DA2 можно использовать любой УЗЧ с возможно более широким диапазоном рабочих частот.

)Нарисуйте структурную схему возбудителя «Синхронизатор» и поясните его работу.

Рисунок 6 .Структурная схема возбудителя «Синхронизатор»

Возбудитель «Синхронизатор» характеризуется высокой стабильностью частоты опорного генератора. Его суточная нестабильность не превышает =.Возбудитель предназначен для одновременного возбуждения двух вещательных передатчиков, работающих в ДВ и CВ диапазонах. С выхода опорного генератора ОГ напряжение частоты f=5 МГц направляется к магазину частот МЧ, в котором путем преобразования опорной частоты с помощью делителей и умножителей образуется 16 частот, имеющих номинальное значение 66,6; 99; 95 ; 100; 135; 180; 200; 225;380; 450; 900; 1000; 1180; 1315; 1530; кГц.

)Перечислите особенности организации радиовещания в диапазонах километровых и гектометровых волн, а так же преимущества и недостатки по сравнению с радиовещанием в диапазоне декаметровых волн.

В ДВ, СВ и КВ диапазонах передающие устройства работают с амплитудой модулей. Требуемая ширина полосы частот радиоканала?fn равна при этом удвоенному значению верхней частоты Fв спектра модулирующего сигнала?fn=2Fв. Согласно международному соглашению в диапазонах ДВ, CD и КВ ширина полосы, выделяемая для организации одного радиоканала, равна 9 кГц. Значения несущих частот передатчиков, работающих в ДВ и CВ диапазонах установлены кратными цифре 9. Несущие частоты следуют через интервал 9 кГц следующим образом: диапазон ДВ -155(1-й канал, 164 (2-й)…281 (15-й), в диапазоне CВ - 531 (1-канал)….1602 (120-й). Таким образом в ДВ диапазоне размещается 15, а в диапазоне CВ 120 радиовещательных каналов. Три радиоканала в CВ диапазоне с несущими частотами 1485, 1584 и 1602 кГц выделены для передатчиков с излучаемой мощностью до 1 кВт (каналы малой мощности). Значения несущих частот передатчиков, работающих в КВ диапазоне, кратны цифре 5. Если КВ РВС обслуживают одну географическую зону, то при?fп=9 кГц разнос несущих РВС принимается равным 10 кГц. При обслуживании разных гео. зон (зоны не перекрываются) допускается разнос 5 кГц. В КВ диапазоне можно организовать около 400 радиоканалов.В связи с ограниченным числом выделенных частотных каналов в ДВ и СВ диапазонах передающая сеть может быть организована с помощью станций работающих на одной волне и передающих разные программы (совмещенный, частотный диапазон), или с помощью радиовещательных станций работающих на одной волне и передающих одну программу (синхронное вещание).В диапазоне ДВ используется земная волна, способная огибать Землю и мало затухающая при распространении на большие расстояния. Радиус зоны обслуживания РВС достигает 800…1000 км.при мощности передатчиков 1000 кГц. Напряженность поля, создаваемая земной волной, не зависит от времени суток поэтому прием РВС, работающих в ДВ диапазоне отличается большой устойчивостью. Диапазон ДВ используется радиовещанием для обслуживания больших территорий. Средние волны распространяются земной и пространственной волнами. Качество приема и число принимаемых станций в диапазоне CВ зависит от времени суток. Днем наблюдается устойчивый прием земной волны, излучаемой близкими и мощными станциями.CВ сильнее поглощаются поверхностью Земли, поэтому зона обслуживания РВС днем меньше, чем в диапазоне ДВ и составляет 300…500 км. Ночью резко уменьшается затухание пространственных волн и становится возможным прием РВС расположенных далеко от места приема. Но в это время суток наблюдается замирание поля из-за интерференции в месте приема земной и пространственной волны с нерегулярной изменяющейся с амплитудой и фазой, связано с изменением электронной концентрации слоя Е ионосферы, от которого CВ отражаются. Особенно сильно выражены замирания при приеме станций, несущие частоты которые расположены ближе к коротковолновой границе CВ диапазона.Преимущества радиовещания в CВ диапазоне:1.Большая площадь обслуживания, когда отсутствуют помехи от пространственных волн дальних мешающих станций.2.Приемники ДВ и CВ в советские годы были дешевыми, экономическими. Диапазоны ДВ и CВ характеризуются сильными атмосферными и промышленными помехами. В связи с тем, что в этих диапазонах нельзя получить остронаправленные антенны, для получения в месте приема достаточной помехозащищенности применяются передатчики большой мощности (до 1000 кВт). КВ могут распространяться земной и пространственной волнами. При использовании земной волны из-за сильного поглощения в почве прием возможен лишь в пределах нескольких десятков километров. Пространственные волны при отражении от ионизирующих слоев атмосферы испытывают значительные поглощения. Это делает КВ более удобными чем CВ и ДВ при передаче сообщений на большие расстояния. Используя пространственную волну в КВ диапазоне можно передать сообщение на несколько тысяч километров. Днем возможен прием станций в диапазоне (10…25 м) (дневные волны), ночью принимаются (35…100м) (ночные волны). Главным недостатком использования КВ для вещания являются большие и частотно-избирательные замирания, затрудняющие организацию уверенного приема. Замирания на КВ происходит из-за интерференции образованной двумя или несколькими пространственными шумами, в результате уровень сигнала меняется в сотни раз (общее замирание), так же происходят замирания в отдельных участках спектра радиосигнала, включая несущую (частотно-избирательные замирания). Это вызывает появление частотных и нелинейных искажений.

)Составите структурную схему узла проводного вещания с децентрализованным питанием сети ПВ. Поясните принцип работы схемы и назначение отдельных элементов схемы.

Рисунок 7. Структурная схема узла проводного вещания с децентрализованным питанием

Программы звукового вещания от источников программ поступают на ЦСПВ. После предварительного усиления по соединительным кабелям линиям ГТС они распределяются на ОУС. По этим же соединительным линиям с ЦСПВ осуществляется дистанционное управление и контроль за работой оборудования ОУС. На ОУС происходят основное усиление сигналов звукового вещания и распределение их по МФ на ТП. Для повышения надежности ТП подключены через резервные МФ с соседним ОУС. При повреждении оборудования, например ОУС-2, ТП-2 будет получать питание от ОУС-1. Когда резервный МФ из-за большой протяженности строить экономически нецелесообразно, ТП совмещают с резервным усилителем звуковых частот. Такие станции называют блок-станциями БС. БС включают только при повреждении основного МФ. Переключение МФ, контроль за работой оборудования ТП, БС так не осуществляется по соединительным линиям с ЦСПВ.

) Объясните назначение и принцип автоматического регулирования сигнала на входе усилителя УПВ-5 при перевозбуждении усилителя со стороны входа. Нарисуйте графики зависимости амплитуды сигнала на выходе усилителя от амплитуды входного сигнала.

В сетях ПВ возможны короткие замыкания одной или нескольких распределительных линий. Возникающая при этом перегрузка усилителя при отсутствии соответствующей защиты может привести к разрушению ламп оконечного каскада. Мощные усилители 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 звукового вещания. Постоянство выходного напряжения при изменении нагрузки обеспечивается глубокими отрицательными обратными связями (ООС), охватывающими оконечный каскад и весь усилитель в целом, что способствует также снижению линейных и нелинейных искажений, повышению устойчивости и стабильности работы усилительного устройства.Экономичность мощных усилителей определяется в основном режимом работы выходного каскада. Для повышения КПД ламповых усилителей их выходные каскады работают в режиме отсечки тока анода и с сеточными токами. Для уменьшения нелинейных искажений предоконечный каскад собирается по схеме катодного 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 сеточного смещения изменяется автоматически в зависимости от уровня сигнала. При отсутствии или малом напряжении сигнала напряжение смещения наибольшее. При этом анодный ток ламп выходного каскада и потребляемая ими мощность минимальны. При увеличении уровня сигнала напряжение смещения уменьшается и анодный ток увеличивается.Для защиты усилителей ПВ от перенапряжения на входе применяют в основном потенциометрические ограничители максимальных значений уровня, на полупроводниковых диодах и полезных транзисторах.При уменьшении сопротивления нагрузки (перегрузка) возрастает выходной ток усилителя. Для защиты от перегрузки в усилителях применяют авторегуляторы, которые обеспечивают понижение входного напряжения.В усилителях УПВ-1,25 и УПВ-5 (рис. 12.13) схемы защиты одинаковы. Усилитель-ограничитель состоит из усилителя У и потенциометрического ограничителя максимальных уровней, выполненного на резисторах Ru R2, Rз, Rt и кремниевых диодах VDX и VD2. Когда диоды закрыты, их сопротивление R велико. При этом коэффициент передачи ограничителя К максимален и определяется соотношениями сопротивлений резисторов Ri... R4. При Ri - R2 = R и Rз = = R4 = r0 Кмакс - Ги/(R + r0). В зависимости от тока, протекающего через диоды в прямом направлении, их сопротивление меняется. Так как диоды VD, и VD2 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 i и £у2, снимаемых с выходов выпрямителей, собранных на диодах VD3... VDb.Напряжения £уi и £у2 взаимно независимы: £у, является функцией перенапряжения, а £у2 - функцией перегрузки усилителя. Потенциометрами устанавливаются напряжения задержки Е3щ и Езд2, при превышении которых начинается автоматическое регулирование коэффициента передачи потенциометрического ограничителя. Сигнал к выпрямителю В, подают с выхода У, имеющего достаточно линейную амплитудную характеристику и малое выходное сопротивление. Напряжение, поступающее к выпрямителю В2, снимается с резистора г, включенного последовательно с нагрузкой. Падение напряжения на г пропорционально выходному току. При перегрузке коэффициент передачи ограничителя управляется напряжением £у2, при перенапряжении - напряжениями £у1 и £у2. Эффективность автоматического регулятора достаточно велика: при уменьшении нагрузки в два раза по сравнению с номинальным значением выходной ток возрастает всего на 1 ...2%.Увеличение входного уровня по сравнению с номинальным иа 12 дБ (перенапряжение) приводит к возрастанию выходного уровня не более чем иа 0,2 дБ.

Рисунок 8. Фрагмент схемы оконченного усилителя УПВ-5

При нормальном напряжении трехфазной питающей сети ("Фаза" - "Ноль" = 220 вольт) напряжение между фазами составляет 380 вольт. При завышенном напряжении ("Фаза" - "Ноль" = 250...270 в.) сети между фазами имеется уже примерно 420...440 вольт. Если проследить по схеме включение накальных трансформаторов 5ТР1 и 5ТР2, то мы видим, что вывод 4 5ТР1 через контакты реле 5Р3 и блокировки подключен к фазе "В", вывод 4 5ТР2 - фазе "А", а выводы 1 обеих трансформаторов - к клемме 4 платы силового ввода 5ГР1 "корпус"("0"). Таким образом на первичных обмотках этих трансформаторов завышенное напряжение. Но если отключить выводы 1 трансформаторов 5ТР1 и 5ТР2 (оставив перемычку 1-1) от корпуса ("0"), как показано на прилагаемой схеме, (точки "X" и "Y") то в этом случае трансформаторы оказываются включенными между фазами "А" и "В" последовательно. Учитывая идентичность трансформаторов, в результате на первичных обмотках 420:2=210 вольт (440:2=220 вольт), а на вторичных обмотках - 16-17 вольт, что соответствует техническим требованиям эксплуатации режима накала. Практика показала, что даже при напряжении накала ламп ГМ-100 = 16 вольт качество выходного сигнала не ухудшается, а срок службы ламп значительно увеличивается.

Графическая зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного напряжения усилителя от амплитуды (или действующего значения) его входного напряжения на некоторой неизменной частоте сигнала получила название амплитудной характеристики.Амплитудная характеристика реального усилителя не проходит через начало координат: при отсутствии входного напряжения напряжение на выходе не равно нулю. Величина этого напряжения в реальных усилителях напряжение определяется уровнем собственных шумов усилителя и помехами3. Основными составляющими шумов усилителя являются: шумы усилительных элементов, тепловые шумы различных цепей усилителя; шумы микрофонного эффекта, вызванные воздействием на узлы и детали усилителя механических толчков и вибраций, фон, обусловленный воздействием на цепи усилителя пульсаций напряжения питания, наводки, определяемые воздействием на цепи усилителя посторонних источников сигналов и источников помех и т.п.

Рисунок 9. Амплитудная характеристика усилителя

Список используемых источников

генератор шум звуковое вещание

1)Выходец А.В., Коваленко В.И., Кохно М.Т. Звуковое и телевизионное вещание.-М.: Радио и связь, 1987.

)Кохно М.Т. Звуковое и телевизионное вещание.- Минск.:Экоперспектива 2000.

)Барановский Б.К., Булгак Б.В. Техника проводного вещания и звукоусиления.- М.:Радио и связь, 1985

)Сидоров И.Н., Димитров А.А. Микрофоны и телефоны.-М.: Радио и связь, 1993

5)

) http://nix-studio-edition.ru/hard-and-soft/hard/1165-microtip.html

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

Люди, увлеченные домашним звуком, демонстрируют интересный парадокс. Они готовы перелопатить комнату прослушивания, соорудить колонки с экзотическими излучателями, но смущенно отступают перед музыкальной консервой, будто волк перед красным флажком. А собственно, почему нельзя за флажок заступить, а из консервы попытаться приготовить что-то более съедобное?

Периодически на форуме возникают жалобные вопросы: «Посоветуйте хорошо записанные альбомы». Оно и понятно. Специальные аудиофильские издания хоть и порадуют слух первую минуту, но до конца их никто не слушает, уж больно уныл репертуар. Что же касается всей остальной фонотеки, то проблема, кажется, очевидна. Можно экономить, а можно не экономить и вбухать прорву денег в компоненты. Все равно мало кому нравится слушать свою любимую музыку на высокой громкости и возможности усилителя здесь ни при чем.

Сегодня даже в Hi-Res альбомах срезаны пики фонограммы и громкость загнана в клиппинг. Считается, что большинство слушает музыку на всяком барахле, а потому надо «поддать газку», сделать своего рода тонкомпенсацию.

Разумеется, делается это не специально, чтобы расстроить аудиофилов. О них вообще мало кто вспоминает. Вот разве что догадались сбагривать им мастер-файлы, с которых копируется основной тираж - компакт-диски, MP3 и прочее. Разумеется, мастер уже давно сплющен компрессором, никто сознательно не будет готовить специальные версии для HD Tracks. Разве что выполняется определенная процедура для винилового носителя, который по этой причине и звучит более гуманно. А для цифрового пути все заканчивается одинаково - большим толстым компрессором.

Итак, в настоящее время все 100% издаваемых фонограмм, за вычетом классической музыки, подвергаются компрессии при мастеринге. Кто-то выполняет эту процедуру более-менее умело, а кто-то совсем по-дурацки. В результате мы имеем пилигримов на форумах с линейкой плагина DR за пазухой, мучительные сравнения изданий, бегство в винил, где тоже нужно майнить первопресссы.

Самые отмороженные при виде всех этих безобразий превратились буквально в аудиосатанистов. Без шуток, они читают звукорежиссерское святое писание задом наперед! Современные программы редактирования звука имеют кое-какой инструмент восстановления звуковой волны, подвергшейся клиппингу.

Изначально этот функционал предназначался для студий. При микшировании бывают ситуации, когда клиппинг попал на запись, а переделать сессию по ряду причин уже невозможно, и здесь приходит на помощь арсенал аудиоредактора - деклиппер, декомпрессор и т.п.

И вот уже к подобному софту все смелее тянут ручки обычные слушатели, у которых идет кровь из ушей после очередной новинки. Кто-то предпочитает iZotope, кто-то Adobe Audition, кто-то операции разделяет между несколькими программами. Смысл восстановления прежней динамики заключается в программном исправлении клиппированных пиков сигнала, которые, упираясь в 0 дБ, напоминают шестеренку.

Да, о 100%-м возрождении исходника речи не идет, поскольку имеют место процессы интерполяции по довольно умозрительным алгоритмам. Но все-таки некоторые результаты обработки мне показались интересными и достойными изучения.

Например, альбом Ланы Дель Рей «Lust For Life», стабильно погано матерящейся, тьфу, мастерящейся! В оригинале песни «When the World Was at War We Kept Dancing» было вот так.

А после череды деклипперов и декомпрессоров стало вот так. Коэффициент DR изменился с 5 на 9. Скачать и послушать образец до и после обработки можно .

Не могу сказать, что метод универсальный и годится для всех угробленных альбомов, но в данном случае я предпочел сохранить в коллекции именно этот вариант, обработанный активистом рутрекера, взамен официального издания в 24 бит.

Даже если искусственное вытягивание пиков из звукового фарша не вернет истинную динамику музыкального исполнения, ваш ЦАП все равно скажет спасибо. Ему ведь так тяжело было работать без ошибок на предельных уровнях, где велика вероятность возникновения так называемых межсемпловых пиков (ISP) . А теперь до 0 дБ будут допрыгивать лишь редкие сполохи сигнала. Кроме того, притихшая фонограмма при сжатии во FLAC или другой lossless-кодек теперь будет меньше по размеру. Больше «воздуха» в сигнале экономит пространство хард-драйва.

Попробуйте оживить свои самые ненавистные альбомы, убитые на «войне громкости». Для запаса динамики сначала нужно понизить уровень трека на -6 дБ, а затем запустить деклиппер. Те, кто не верит компьютерам, могут просто воткнуть между CD-плеером и усилителем студийный экспандер. Данное устройство по сути занимается тем же самым - как может восстанавливает и вытягивает пики сжатого по динамике аудиосигнала. Стоят подобные устройства из 80-90-х не сказать чтобы очень дорого, и в качестве эксперимента попробовать их будет весьма интересно.

Контроллер динамического диапазона DBX 3BX обрабатывает сигнал раздельно в трех полосах - НЧ, СЧ и ВЧ

Когда-то эквалайзеры были само собой разумеющимся компонентом аудиосистемы, и никто их не боялся. Сегодня не требуется выравнивать завал высоких частот магнитной ленты, но с безобразной динамикой надо что-то решать, братцы.