Схема. Инерционные автоматические регуляторы уровня звуковых сигналов
В звукозаписи и радиовещании всегда исходили из соображений, что для высококачественного звуковоспроизведения необходимо провести предварительную обработку сигналов звукорежиссером. Обычно это очень квалифицированный человек с музыкальным образованием, который может представить себе и задумку автора, и знает технические возможности канала передачи. В этом случае он в соответствии с партитурой может провести первичную обработку сигналов, чтобы донести до слушателей основные художественные достоинства произведения. При этом большую помощь ему могут оказать авторегуляторы уровня (АРУР), которые срабатывают значительно быстрее человека (например, музыкальные компрессоры). А дальше нужно как можно меньше нарушать эту первичную обработку. И наибольшую опасность для качества звучания представляет неправильная работа ограничителей, компрессоров, экспандеров и других устройств, работающих в передающем канале.
В радиовещании существуют еще информационные передачи, для которых наиболее важны разборчивость и громкость звучания сигнала, а о художественных особенностях задумываться не приходится. В этом случае обработку речевых сигналов авторегулятор может провести значительно успешнее любого человека. В основном она сводится к сжатию диапазона уровней сигнала с помощью компрессора (сжимателя). Уже из названия понятно, что этот АРУР специально предназначен для сжатия динамического диапазона сигналов. Если на вход АРУР подают сигнал с завышенным средним уровнем, то при работе максимальные уровни поддерживаются на нормированном значении, а низкие остаются поднятыми, и диапазон уровней сжимается. Понятно, что при этом возрастает относительная мощность (ОСМ) сигнала, что соответствует увеличению громкости его звучания.
Если же максимальные уровни сигнала не будут достигать порога срабатывания, то никакого влияния на сигнал АРУР не окажет. Поэтому один и тот же авторегулятор может работать как ограничитель уровня в сторожевом режиме либо в режиме сжатия как компрессор. И искать различия в амплитудных характеристиках не имеет смысла. Для оптимизации обработки авторегуляторы должны иметь определенные динамические характеристики и работать в нужном режиме. А вот о динамических (временных) характеристиках мало кто вспоминает. Ранее в [1] уже рассматривалась работа авторегуляторов, но поскольку приходится возвращаться к этой теме, то имеет смысл напомнить хотя бы некоторые характеристики АРУР еще раз. Обычно всегда приводится статическая амплитудная характеристика АРУР (характеристика ограничения) в установившемся режиме (рис. 1).
У ограничителей максимального уровня сигнала коэффициент передачи остается постоянным до некоторого порогового значения входного сигнала (Uвых = KUвх), а затем начинает уменьшаться обратно пропорционально его увеличению.
Для ограничителей разность между максимальным и номинальным значениями входных уровней называется диапазоном ограничения: D = Nвх.макс— Nвх.ном т. е. D = 20 Ig (Uвх.макс. /Uвх.ном.). Разность между максимальным и номинальным значениями выходных уровней сжатия. Разность значений (D-d) в децибелах называется величиной сжатия, а отношение (d/D) — коэффициент сжатия. На практике порог срабатывания ограничителя на амплитудной характеристике плавный, и при нормированном входном уровне сигнал на выходе АРУР при измерениях может оказаться ниже номинального значения на величину начального сжатия (обычно около 0,5 дБ). Режим является сторожевым, если наибольшие уровни входных сигналов только достигают нормированного значения и ограничитель срабатывает лишь при случайных кратковременных выбросах. Завышенные входные уровни переводят ограничитель в режим сжатия. Из вышесказанного уже ясно, что и ограничитель может работать компрессором. Причем для инерционных АРУР выходное напряжение зависит еще и от времени, которое прошло с момента изменения амплитуды сигнала.
Амплитудная характеристика АРУР значительно меньше сказывается на заметности его работы на слух, чем неправильный выбор динамических параметров (время срабатывания и время восстановления) и режима работы АРУР.
Основными временными параметрами АРУР являются время срабатывания (tcр) и время восстановления (tвосст) — см. рис. 2.
Срабатыванием принято считать реакцию авторегулятора на скачкообразное повышение уровня сигнала на входе устройства, а восстановлением — на его скачкообразное уменьшение от завышенного значения до номинального. Отсчитывается время от момента начала переходного процесса до момента завершения его на 90 %. Очевидно, одной амплитудной характеристики недостаточно для оценки работы АРУР. Ведь если ограничитель в режиме сжатия срабатывает при большом уровне сигнала, то в результате его инерционности некоторое время уровни следующих за ним слабых сигналов будут занижены Чем меньше эта инерционность, тем эффективнее сжимается диапазон уровней сигналов. Если большие уровни снизятся до нормированного значения, а низкие будут успевать возрасти на величину диапазона ограничения, то диапазон уровней будет сжат, а средний уровень и громкость звучания сигналов увеличатся. Значит, в очень большой степени работа АРУР зависит от его временных характеристик, определяющих его инерционность.
Самые эффективные безынерционные ограничители (на рис. 3 показаны амплитудная характеристика и схема простейшего варианта) вносят столь большие искажения в звуковой сигнал, что в звуковой технике сейчас применяются только в качестве пикосрезателей (клипперов).
Поэтому имеет смысл рассматривать работу только инерционных АРУР и влияние их динамических характеристик и режима работы на качество звука. Неправильная работа сторожевого ограничителя на входе передатчика способна полностью уничтожить все, что так старался донести до слушателя звукорежиссер. Обычно все оценивают вносимые регулируемым звеном нелинейные искажения, но часто забывают о нарушениях первичной обработки (динамики) сигнала. Для примера рассмотрим уровнеграммы сигнала, одновременно записанные на входе центральной аппаратной Государственного дома радиовещания и звукозаписи (ГДРЗ) и на его выходе после разных авторегуляторов (рис. 4,а—в). Без всяких экспертиз можно утверждать, что ограничитель, который должен работать на выходе радиодома в «сторожевом» режиме, не пропуская на выход случайные выбросы, очень активно сжимал диапазон уровней, т. е. очень эффективно работал компрессором (рис. 4,в). Какой ущерб нанесен первоначальной задумке автора, исполнителей и звукорежиссера, можно легко себе представить, сравнивая уровнеграммы.
Объективную оценку ущерба, нанесенного качеству звука, можно получить с помощью довольно простого прибора, описание которого приведено в [2].
Приведенный пример далеко не самый «криминальный». Например, некоторое время на вещании использовался американский АРУР Audimax mod4440A, который сжимал диапазон уровней сигналов до 18…20 дБ. Да и сейчас рекламируется разработанный в МТУСИ современный цифровой авторегулятор «АРГО», у которого достигается «увеличение относительной средней мощности (ОСМ) сигнала для художественных программ на 70…90 %, а для информационных — на 150…200 %». Причем должен огорчить тех, кто рассчитывает на увеличение зоны действия передатчика из-за роста громкости сигнала, полученной при сжатии его диапазона уровней. Во-первых, реальное увеличение громкости звучания речи не так уж велико, и при очень большом сжатии просто растут искажения, заставляя применять для сохранения естественного звучания фильтры оптимальной обработки речи. Во-вторых, выигрыш получается лишь при очень высоком уровне шумов на месте приема (шумы выше -15 дБ относительно нормированного уровня). То есть это оправдано только для связных передатчиков, где важно не качество, а разборчивость сигнала.
Обычно вносимые инерционными АРУР нелинейные искажения невелики, но, компрессируя сигнал, они могут существенно изменять динамический рисунок, т. е. распределение уровней звукового давления во времени. Компрессоры постоянно работают в режиме сжатия. По результатам многолетних испытаний был сделан вывод, что речевой компрессор должен иметь время срабатывания 1…5 мс, а время восстановления — около 0,3 с. Обычно выбирается сжатие диапазона уровней сигнала около 10 дБ, что позволяет поддерживать нормированное значение максимальных уровней при значительных изменениях громкости звучания речи. Почти всегда приходится встраивать в речевой компрессор шумоподавитель, поскольку «вытягиваются» шумы и придыхания дикторов.
Время срабатывания лучше выбрать, ориентируясь на слух. Резкое срабатывание АРУР тоже довольно неприятно. Лучше всего это заметно, когда произносят звук «п».
Авторегулятор с такой же амплитудной характеристикой, но с временем восстановления 2…4 с, считается классическим ограничителем уровня (ОУР) и призван работать в сторожевом режиме, защищая от перегрузки последующие звенья при случайных выбросах сигналов. Эффективность сжатия диапазона уровней сигнала ограничителем будет значительно ниже, но зато меньше и заметность его работы на слух. Обычно ограничитель дополняется пикосрезателем, так как на вход передатчика не должны проходить даже кратковременные импульсы, превышающие нормированный уровень сигнала больше чем на 1,5 дБ.
Если такой же АРУР сделать еще более инерционным, т. е. с временем срабатывания 0,2…0,3 с и временем восстановления 8… 12 с, то он практически не будет нарушать динамику музыкальных сигналов [3, 4]. Не искажая динамический рисунок сигналов, такой АРУР отлично поддерживает их среднее значение, выступая в роли автостабилизатора уровня (ACT). Если ACT установлен перед ограничителем или компрессором, то он может достаточно точно поддерживать заданный режим работы последних, что и положено в основу при разработке АРУР «Норма». Это довольно сложный прибор, имеющий до семи регулируемых звеньев в своем составе [5, 6]. При сравнениях с другими АРУР, работавшими на радио и телевидении, этот авторегулятор предпочитался экспертами в 76…92 % случаях. ‘Субъективно статистические экспертизы проводились в Москве, Ленинграде, Минске, Вильнюсе и Днепропетровске. Недостатком же этого АРУР является необходимость тщательной настройки всех звеньев для достижения оптимальных результатов для данных условий. На уровнеграмме рис. 4,6 показана работа АРУР, настроенного в «речевой» режим («Норма ГР»), когда он работал вместо речевого компрессора и ограничителя. Этим и объясняются некоторые нарушения динамики сигналов, хотя они несопоставимы с тем, что делает обычный ОУР.
Нужно иметь в виду различие времени срабатывания ACT и ОУР. Профессиональные измерители уровня имеют время интеграции 5 мс [7] и просто занижают значения коротких выбросов уровня, при которых уже срабатывает ограничитель. Измерители средних значений, нередко используемые в бытовой аппаратуре, имеют время интеграции 200 мс, близкое к времени срабатывания ACT. Занижение показаний у них значительно больше (до 6…8 дБ). Значит, чтобы автостабилизатор срабатывал, его порог должен быть выбран ниже нормированного значения на 5…7 дБ. То есть на тональном сигнале выходной уровень занижен на эту величину, но на реальном максимальные уровни будут достигать нормированного значения.
Музыкальные компрессоры работают под наблюдением звукорежиссера, и у них предусмотрена возможность оперативного изменения наклона характеристики ограничения и временных параметров. Шумоподавители в них обычно не устанавливают. Известно, что даже опытные звукорежиссеры после репетиции не могут обеспечить точность регулирования уровней сигналов выше чем ±4 дБ [8]. А чтобы регулировка проводилась незаметно для слуха, приходится проводить ее медленно. В таких случаях авторегулятор под контролем человека сработает значительно быстрее и незаметнее.
Из вышесказанного можно понять неослабевающий интерес к авторегуляторам и их схемотехнике. При правильном применении АРУР могут значительно облегчить работу звукорежиссера и повысить точность регулировки уровней звуковых сигналов. К сожалению, многие просто не знают о существовании каких-то временных характеристик и вместо компрессора получают непонятную АРУ с соответствующим качеством работы.
Структурная схема инерционного авторегулятора показана на рис. 5. Изменение уровня сигнала в основном канале осуществляется с помощью регулирующего элемента РЭ. Входной и выходной усилители У1 и У2 обеспечивают требуемое согласование по уровню. Канал управления включает в себя усилитель УЗ, детектор Д, интегрирующую (времязадающую) цепь ИЦ и усилитель постоянного тока УПТ. Сигнал на вход канала управления может подаваться либо с входа АРУР (прямая регулировка), либо с выхода (обратная регулировка). Прямая регулировка применяется только в экспандерах и шумоподавителях, а обратная — в лимитерах, компрессорах, автостабилизаторах уровня.
Основой любого АРУР является РЭ. Временные параметры (динамические характеристики) авторегуляторов легко изменяются заменой резистора или конденсатора интегрирующей цепи. Некоторые схемы уже рассматривались в [1] (например, схема неплохого простого речевого компрессора, собранного на полевом транзисторе). К сожалению, такой транзистор имеет очень небольшой линейный участок характеристики, обеспечивающий малые нелинейные искажения. Ведь, практически, вносимые АРУР нелинейные искажения зависят именно от РЭ.
Очень высокое качество звучания можно получить с микросхемами фирмы Analog Devices типа SSM2018T (управляемый напряжением усилитель), SSM214 (четыре таких усилителя), SSM2120 (два управляемых усилителя и два детектора), SSM2166 (микрофонный предусилитель с компрессором и шумоподавителем для речевых систем). Последняя из упомянутых микросхем не позволяет раздельно изменять время срабатывания и восстановления, и высококачественный АРУР с ней сделать не удастся, но она может быть полезной для микрофонных каналов систем оповещения и т. п. целей.
Эти микросхемы найти довольно сложно, да и цены на них высокие, поэтому стоит рассмотреть и некоторые другие типы РЭ. Должен отметить, что при прослушиваниях звукорежиссеры чаще предпочитали работу аналоговых АРУР цифровым, хотя обычно последние имели технические характеристики лучше и, самое главное, не требовали кропотливой настройки.
Самый простой авторегулятор получается с применением оптронов ОЭП-1, ОЭП-2 и аналогичных. К сожалению, они обладают заметной инерционностью и получить малое время срабатывания не удастся. Зато для работы в ACT они подходят идеально и практически не вносят нелинейные искажения. Существовали и более скоростные и к тому же двухканальные оптроны ОЭП-16, но сейчас их вряд ли можно найти. К тому же их характеристики в течение периода деградации заметно изменялись и перед установкой требовалась тренировка. Схема ACT с применением оптрона показана на рис. 6.
Чтобы получить большое время восстановления, пришлось ввести УПТ на транзисторах VT1, VT2. Простейший детектор собран по схеме удвоения напряжения. В данном случае это вполне допустимо из-за большого времени срабатывания. Но вообще нужно иметь в виду, что звуковые и речевые сигналы часто несимметричны. На рис. 7 в качестве примера приведена осциллограмма звука «а».
Поэтому детекторы как в измерителях уровня, так и в АРУР желательно выполнять по двухполупериодной схеме. Для этих целей очень подходит микросхема К157ДА1, она содержит два таких выпрямителя, которые работают в динамическом диапазоне до 50 дБ, дополнительно усиливая сигнал в 7…10 раз, поэтому в канале управления усилитель не нужен. Иногда можно применить простую, представленную на рис. 8 схему детектора.
Для получения большого времени восстановления (в ACT) в позиции С5 применяют оксидный конденсатор емкостью 47…68 мкФ с малой утечкой, а нужное время срабатывания достигают подбором резистора R5.
При разработке рассматривался еще один способ значительного уменьшения вносимых АРУР нарушений в первичную обработку сигналов, когда время восстановления способно изменяться адаптивно в зависимости от длительности превышения сигналом нормированного уровня. Так, при случайных кратковременных выбросах коэффициент передачи (Кп) АРУР восстанавливается очень быстро (за 0,1…0,2 с), но если превышение длится более 0,3 с, то время восстановления увеличивается и может достигать 8…10 с. Такое случается, если сигналы музыкальной передачи окажутся по каким-то причинам длительное время очень завышенными. Звукорежиссеры считают, что искажения, вносимые такими авторегуляторами в обработку сигналов, значительно меньше, чем вносит обычный ограничитель. Но работа включенных каскадно ACT и компрессора предпочтительнее хотя бы потому, что для каждого звена можно выбирать пороги срабатывания независимо и добиваться оптимального режима обработки.
Для любительского простого модульного микшерного пульта было предложено использовать в АРУР в качестве РЭ одну из широко распространенных микросхем, предназначенных для регулировки громкости звука, управление которыми производится напряжением. Одна из них — TDA8196, она представляет двухвходовый электронный регулятор громкости и предназначена для работы в телевизорах и аудиоаппаратуре [9]. Напряжение питания Uпит = +3…+16 В, потребляемый ток Iп = 12 мА, входное и выходное сопротивление соответственно Rвх = 13 кОм, Квых.min= 10 кОм, коэффициент гармоник Кг = 0,05 %, входное и выходное напряжение Uвx.max = 2 В, Uвыx.max = 1,3 В. Эта микросхема хорошо подходит для наших целей; схема АРУР показана на рис. 9, она аналогична описанной в [10].
Поскольку наибольшее напряжение на входе устройства не должно превышать 2 В, то чтобы обеспечить диапазон ограничения не менее 20 дБ (десятикратная перегрузка), номинальное выходное напряжение микрофонного усилителя нужно выбирать равным 200 мВ.
Экспериментально снятая зависимость изменения выходного уровня сигнала от управляющего напряжения (на выводе 6 микросхемы TDA8196) показана в таблице.
Из-за невысокого входного сопротивления канала управления управляющее напряжение пришлось подавать через эмиттерный повторитель (VT2 — КТ3102Е или КТ3102Г). Открывающее управляющее напряжение подается на базу транзистора с делителя R2R3. При напряжении питания +12 В, с учетом падения напряжения на транзисторе, на выводе 6 микросхемы оно оказывается около +5 В, т. е. то, что требуется. Конденсатор С4, задающий динамическую характеристику авторегулятора, заряжается через резистор R3 Для ограничителя уровня оптимальным считается время восстановления, равное 2…4с (tвосст = 3R3*C4), а для речевых компрессоров его снижают до 0,3 с.
При срабатывании АРУР открывается транзистор VT1 (КТ503А), через который конденсатор С4 разряжается, что сопровождается уменьшением управляющего напряжения на выводе 6 DA1 и снижением коэффициента передачи этой микросхемы.
В компрессорах и ограничителях применяется обратная регулировка, т. е. сигнал в канал управления подается с выхода авторегулятора. Через ОУ DA2.2 и детектор (элементы R13, С12, VD1, VD2, С8, R7) управляющий сигнал через резистор R6 подается на базу транзистора VT1. Рассчитать достаточно точно время срабатывания при обратной регулировке не удается, поскольку сам управляющий сигнал уже подвергся действию регулировки. В первый момент, когда коэффициент усиления еще не успел уменьшиться, в цепь управления поступает сигнал значительно больший, чем в конце процесса. Это вызывает ускорение разрядки конденсатора в несколько раз в зависимости от степени превышения сигналом нормированного уровня и быстродействия электронного ключа.
Если конденсатор разряжается слишком быстро, происходит «перерегулировка», т. е. после скачкообразного увеличения сигнала на входе сигнал на выходе сначала падает ниже нормированного уровня, а затем восстанавливается (рис. 10). Проще всего при настройке АРУР подбирать резистор R13, наблюдая на экране осциллографа форму выходного сигнала, вернее, его огибающей, при скачкообразном увеличении входного уровня на 10 дБ. Время срабатывания компрессора, чтобы его работа на слух была малозаметна, должно быть 2…5 мс. Нужно просто увеличить сопротивление R13 до пропадания «перерегулировки», на слух она воспринимается как кратковременное пропадание сигнала.
При большом выбросе или слишком большом быстродействии ключа АРУР может полностью кратковременно «запираться». В этом случае при налаживании следует увеличить сопротивление резистора R13, определяющее время срабатывания, или применить транзистор VT1 с меньшим значением h21э
Такой эффект часто можно встретить в самых разных АРУР; зачастую подобные «мелочи» определяют заметность работы авторегулятора на слух.
Измерения показали, что коэффициент нелинейных искажений на выходе АРУР (по схеме на рис. 9) при номинальном входном уровне сигнала достигает 0,18 % и уменьшается до 0,11 % при перегрузке на 10 дБ. На слух работа АРУР (осциллограмма на рис. 11) вполне удовлетворительна, если правильно выбран резистор R13.
В микросхеме TDA8196 (DA1) при необходимости можно использовать ее коммутатор: вместо первого входа использовать второй вход (вывод 2) регулятора, подключив к нему выход другого источника сигнала с линейным уровнем примерно 200…250 мВ. Переключение входов производится замыканием вывода 3 на общий провод (на рис. 9 перемычка между контактами 1 и 2 показана штриховой линией).
Нужно отметить и еще одну возможность использования этой микросхемы. С конденсатора С4 можно вывести провод через разъем наружу и, соединяя его с общим проводом, дистанционно выключать канал. Вероятно, в роли управляемого напряжением усилителя могут выступать и другие микросхемы с электронной регулировкой громкости звука.
Наверное, следует рассказать еще об одной интересной микросхеме. О достоинствах аналоговых перемножителей напряжения и их возможностях известно очень многим, но практических схем почти не встречается. Во многом это объясняется тем, что микросхемы перемножителя найти не так просто и они слишком дороги. Тем не менее сегодня стоимость микросхемы MLT04 с четырьмя перемножителями в одном корпусе (Analog Devices) оказалась более чем в два раза дешевле одиночного перемножителя КР525ПСЗ. Даже КР525ПС2 много-кратно подорожала, и найти ее стало довольно сложно. Раньше эта микросхема считалась недорогой и доступной; ее можно обнаружить у многих радиолюбителей, поэтому на рис. 12 показана схема АРУР на таком перемножителе.
Устройство довольно простое и не требует каких-то особых балансировок. Ограничений с выбором нормированного значения входного уровня тоже нет. С помощью подстроечного резистора R1 можно установить для сторожевого режима коэффициент передачи, равный 1, чтобы выходное напряжение соответствовало входному. Переменный резистор R4 позволяет изменять порог ограничения АРУР. Второй канал детектора микросхемы К157ДА1 можно использовать для управления ACT
В этой статье шла речь о некоторых особенностях работы и настройки автоматических регуляторов уровня звуковых сигналов и их влиянии на качество звука. С моей точки зрения, для оценки качества звука не существует приборов лучше слуха. При прослушиваниях для настройки АРУР «Норма» приглашались звукорежиссеры ГДРЗ и ТТЦ. Им предлагалось выбрать оптимальные режимы и пороги для всех семи регулируемых звеньев авторегулятора. Настройка занимала 15…30 мин, так как сначала еще требовалось разобраться в назначении множества регуляторов. Затем с помощью приборов измеряли все режимы; оказалось, что расхождение в выбранных порогах не превышало 1 дБ.
Рассмотренные здесь примеры не исчерпывают перечень задач, которые могут решать авторегуляторы.
Э. КУЗНЕЦОВ, г. Москва
«Радио» №6-7 2011г.
