Большая распродажа оборудования Samson по абсолютно доступной цене! Большая распродажа оборудования Samson по абсолютно доступной цене! Специальное ценовое предложение на световые пульты английской компании AVOLITES со склада Специальное ценовое предложение на световые пульты английской компании AVOLITES со склада
ООО "КОРТМИ" / CORTMI Ltd. / ТОВ "КОРТМІ"
Словарь-справочник по звукотехнике, ч. 2
ПечатьСкажите другу
ПечатьСкажите другу

Словарь-справочник по звукотехнике, ч. 2


В рамках теории электрических цепей принято делить искажения на четыре группы:

  • нелинейные искажения;
  • линейные искажения;
  • шумы и помехи;
  • искажения уровня сигнала или динамического диапазона.

Нелинейные искажения

Нелинейными искажениями принято считать изменения сигнала, приводящие к появлению новых спектральных составляющих. Строго говоря, обсуждение этого феномена имеет смысл при условии, что спектр сигнала конечен, а это достигается только для бесконечных во времени сигналов. С достаточной для практики точностью это ограничение в звукотехнике обходится, но забывать про него нельзя.

К появлению новых спектральных составляющих приводит нелинейность амплитудной характеристики цепи, именно отсюда и пришло название. Мерой нелинейности принято считать в аудиотехнике соотношение мощностей гармоник и основного тона.

Для измерения напряжения высших гармоник в большинстве аналоговых приборов используется режекторный фильтр, подавляющий основной тон. Сам основной тон не выделяется, а измеряется весь выходной сигнал испытуемого устройства, прибор показывает значение, которое практически совпадает с коэффициентом гармоник.

При полигармоническом воздействии на выходе появляются еще и интермодуляционные составляющие. Если амплитудная характеристика устройства имеет вид Y(X) = X², то в спектре появятся вторые гармоники первого (2F1) и второго (2F2) сигналов, а также интермодуляционные составляющие — разность (F1 — F2) и сумма (F1 + F2) их частот и постоянная составляющая.

Рис.1. Спектр акустического сигнала, на входе АС двухтональный сигнал: 150 и 440 Гц

Если нелинейность тракта имеет более высокий порядок, то, подав на вход два синусоидальных сигнала с частотами F1 и F2 в спектре выходного сигнала, мы обнаружим много составляющих (рис.1).

Причины нелинейных искажений

В акустических системах нелинейные искажения — следствие неравномерности магнитного поля в зазоре, нелинейности подвеса, нелинейной деформации диффузора и воздуха, термодинамических эффектов и параметрических резонансов.

В электрических трактах к нелинейным искажениям приводит нелинейность амплитудных характеристик активных элементов — транзисторов. Изредка приходится сталкиваться с неустойчивостью и самовозбуждением, этот процесс тоже можно отнести к нелинейным. Причиной появления новых спектральных составляющих могут стать системные вопросы — «ступенька» в двухтактных усилительных каскадах и влияние токов, протекающих по цепям питания и общему проводу.

Рис.2. Зависимость нелинейных искажений от уровня сигнала: 1 — магнитная запись; 2 — усилитель класса В; 3 — цифровая звукозапись

Нельзя упускать из виду и зависимость КГ от амплитуды сигнала, она определяется характером нелинейности тракта (рис.2).

Для тракта магнитной записи амплитудная характеристика плавно загибается по мере увеличения амплитуды, и коэффициент гармоник плавно растет при увеличении амплитуды, причем преобладает 3-я гармоника. Двухтактный усилитель класса В может иметь на амплитудной характеристике «ступеньку», и КГ в этом случае растет при уменьшении уровня сигнала, а порядок нелинейности оказывается большим, и спектр гармоник простирается далеко за пределы рабочего диапазона.

В тракте с цифровым представлением сигнала КГ уменьшается при увеличении уровня, вплоть до ограничения сигнала, а потом — резко возрастает. На верхнем краю воспроизводимого диапазона частот появляется интермодуляция с частотой дискретизации и ее гармониками.

Характер нелинейности может быть различным: иногда искажения растут при уменьшении уровня сигнала, иногда — уменьшаются; нелинейность второго порядка воспринимается на слух иначе, чем, например, двадцатого. Именно поэтому сообщение Кг = 0,+1% не дает информации для прогноза звучания.

В цифровых системах есть принципиально неустранимая нелинейность — искажения («ошибки») квантования. Есть и непринципиальные: ошибки вычислений и упрощения алгоритмов, в том числе — восстанавливающего фильтра.

Заметность нелинейных искажений

Искажения незаметны на слух, если уровень продуктов нелинейности ниже абсолютного порога слышимости, но это требование весьма жесткое, выполнить его практически невозможно. Считается, что порог слуховой заметности нелинейных искажений, измеренных по методу полного коэффициента гармоник в диапазоне частот 40 Гц…1 кГц, составляет -52 дБ, или 0,25%.

С учетом эффекта маскирования и других свойств слуха можно предположить, что достаточным окажется условие: Кг < 0,1% во всем рабочем диапазоне частот и уровней сигнала, но и это обеспечить очень непросто.

Рис.3. Зависимость уровня второй К2 и третьей К3 гармоники от частоты сигнала для акустической системы

Коэффициент гармоник и интермодуляции представляют собой интегральные показатели, в большинстве случаев необходимы уточнения. Например, для оценки нелинейности акустических систем раздельно рассматривают коэффициент второй (К2) и третьей (К3) гармоник в зависимости от частоты (рис.3). На низких частотах основной причиной нелинейных искажений оказывается ограничение амплитуды смещения диффузора и преобладает третья гармоника. На средних и высоких частотах К2 и К3 оказываются близки и невелики, и в целом звучание оказывается вполне приемлемым.

Для трактов с невысоким порядком нелинейности, когда преобладают 2-я и 3-я гармоники, а остальные практически отсутствуют, искажения уменьшаются при снижении уровня сигнала — именно так ведет себя ламповый усилитель и тракт магнитной записи. Если для сигнала с максимальным уровнем Кг не превышает 0,1%, то искажения будут практически незаметны.

Если нелинейность имеет высокий порядок, то снижение уровня сигнала обычно приводит к увеличению искажений, это свойственно, например, цифровым аудиотрактам и усилителям, работающим с отсечкой тока (класс В и АВ). При максимальном уровне сигнала КГ может составлять 0,001%, но при снижении уровня может оказаться, что Кг достигнет значений 10% и больше, и звучание ощутимо пострадает: ухудшится прозрачность, исчезнет воздух, появится «пластмасса».

Слух человека инерционен, время адаптации к нелинейным искажениям составляет величину около 10 мс. Это свойство слуха учитывает лимитер: при постоянном времени срабатывания 0,5…1 мс переходный процесс успевает завершится раньше, чем слух успеет заметить искажения.

Реакция нелинейной цепи на два воздействия не равна сумме реакций, то есть при подаче двух и более сигналов на нелинейную цепь на ее выходе появляются продукты взаимодействия этих сигналов.

Линейные искажения

Линейные искажения приводят только к изменению соотношения амплитуд и фаз спектральных составляющих сигнала. Такого рода изменения обладают свойством аддитивности: сумма реакций на два воздействия равна реакции на сумму двух воздействий. То есть на выходе линейной цепи не появляются продукты взаимодействия входных сигналов.

В общем случае коэффициент передачи линейного тракта описывает уравнение К=|К|¤е , здесь: |К| — модуль коэффициента передачи, φ — сдвиг фазы, j — «мнимая» единица. Зависимость |К| от частоты представляет собой амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), а j — фазочастотную характеристику (ФЧХ).

Причины линейных искажений

Рис.4. Спад на низких частотах в электрических трактах: 1 — эквивалентная схема; 2 — АЧХ

Спад на низких частотах вызывают разделительные конденсаторы и трансформаторы в электрическом тракте (6 дБ/окт) (рис.4).

Акустическая система типа закрытый ящик на частотах ниже основного резонанса имеет спад 12 дБ/окт, фазоинвертор с классической настройкой — 18 дБ/окт, у резонансных излучателей спад АЧХ бывает еще более резким: 24 дБ/окт и более.

Искажения АЧХ на высоких частотах тоже могут быть обусловлены разными причинами. В электрическом тракте, например, — индуктивностью рассеяния трансформатора, обмотки которого включены в цепь последовательно, что и приводит к спаду с крутизной 6 дБ/окт. Щелевые потери в устройствах магнитной записи приводят к спаду АЧХ, который возрастает по мере того, как длина волны в записи приближается к длине зазора магнитной головки. У первых транзисторов коэффициент передачи тока ощутимо спадал с ростом частоты, это проявлялось даже в звуковом диапазоне.

При возрастании частоты края диффузора динамической головки начинают отставать от центра, и появляется спад АЧХ.

В некоторых случаях спектр сигнала ограничивают целенаправленно, например, в радиовещании: в системе с пилот-тоном не должно быть помех от звукового сигнала на частоте 19 кГц, для выполнения этого условия приходится ставить специальный фильтр высокого порядка, обычно 7-го. Ограничивают спектр и в цифровых аудиосистемах.

Заметность линейных искажений

Повышенная неравномерность АЧХ в исправном электрическом тракте в настоящее время — большая редкость, в допустимые по критериям заметности границы попасть нетрудно.

АЧХ современных акустических систем тоже гладкая, но линейные искажения, тем не менее, присутствуют. Для расширения диапазона воспроизводимых частот в сторону низов применяют коррекцию АЧХ, используют сложные акустические оформления, в результате возрастают переходные искажения.

В многополосных АС, а таких сейчас — большинство, узким местом является зона интерференции излучений НЧ- и ВЧ-головок. При стационарном воздействии АЧХ кажется гладкой, но она складывается из двух, каждая из которых неидеальна, что может сказаться на качестве звучания.

Заметность искажений АЧХ исследована скрупулезно, потому что ее имитировать относительно несложно. Принято считать, что искажения не будут заметны, если отклонения АЧХ не превышают приведенные в таблице.

Диапазон частотДопустимое отклонение АЧХРазбаланс уровней между каналамиРазбаланс фаз между каналами
40…125 Гц1 дБ2 дБ40 Гц - 45°
125…10 кГц0,5 дБ0,5 дБ30°
10…14 кГц1 дБ1,5 дБ 
14…15 кГц2 дБ2 дБ15 кГц - 90°

Из таблицы следует, что полный диапазон частот составляет 40 Гц…15 кГц, и за его пределами искажения АЧХ незаметны на слух. В то же время ограничение спектра сигнала может оказаться заметным, ведь эта операция сопровождается появлением дополнительных искажений внутри звукового диапазона, например, фазовых или переходных.

Принято считать, что пики и провалы АЧХ, ширина которых не превышает 1/8 октавы, на слух незаметны, во многих случаях это утверждение оказывается верным. Например, если в результате интерференции сигналов возник узкий провал АЧХ, то на качестве звучания он почти не отразится. Если же, например, «узкий» подъем АЧХ вызван резонансом, то звучание будет окрашено, к этому приведет переходной процесс (рис.5.).

Рис.5. Влияние резонансной цепи на переходной процесс: 1 — сигнал на входе; 2 — сигнал на выходе устройства

К числу линейных относят и фазовые искажения, в этом случае амплитуды не меняются, но за счет разных фазовых сдвигов спектральных составляющих изменяется форма сигнала (рис.6).

Рис.6. Влияние искажений ФЧХ на форму сигнала: 1 — сигнал на входе; 2 — сигнал на выходе устройства

Принято считать, что слух нечувствителен к искажениям ФЧХ, но никто не оспаривает заметность неравномерности группового времени задержки (ГВЗ), которая может достигать существенных значений в фильтрах высоких порядков. Для большинства цепей ФЧХ и характеристика ГВЗ однозначно связаны, что позволяет сделать вывод — искажениями ФЧХ пренебрегать нельзя.

Шумы и помехи

Шумом называют случайные процессы и сигналы.

Рис.7. Зависимость спектральной плотности от частоты для некоторых видов шума: 1 — белый шум; 2 — розовый шум; 3 — фликкер-шум

Шум может иметь разный спектр (рис.7). Белый шум имеет постоянную спектральную плотность; у розового шума спектральная плотность спадает со скоростью 3 дБ/окт; у так называемого фликкер-шума спектральная плотность увеличивается с понижением частоты со скоростью 6 дБ/окт. Шум может иметь и ограниченный спектр, такое тоже бывает на практике.

Амплитудное распределение шума тоже может быть различным. Мгновенное значение гауссовского шума может быть любым, но большие значения маловероятны; у шума с прямоугольным распределением равновероятно любое значение в пределах окна, сходными свойствами обладает, в частности, шум квантования в цифровых системах.

В отдельную группу выделяют шумы, независимые от полезного сигнала, к таким можно отнести, например, тепловой шум. Зависимость шума от звукового сигнала может быть двоякой. В компандерных системах шумоподавления уровень шума изменяется при изменении уровня сигнала. При компрессии аудиоданных от полезного сигнала зависит не только уровень, но и другие параметры шума, в частности — спектр.

Термин помехи обычно употребляют, если речь идет о структурированных сигналах: фон с частотой питающей сети и его гармоники, помехи от видео или телевидения.

При измерениях и анализе шумов и помех принято оперировать среднеквадратичными значениями, то есть мощностью, которая связана с пиковым значением нетривиальным образом. Например, для гауссовского шума среднеквадратичное значение может быть на 10, 20 и 30 дБ меньше пикового. Природа допускает существование шума, у которого пиковое и среднеквадратичное значения совпадают.

При анализе влияния шума на качество звучания учитывают частотную зависимость слуха и при измерениях используют взвешивающий фильтр.

В первую очередь обычно учитывают шумы и помехи, непосредственно попадающие в звуковой диапазон частот, их измеряют при отсутствии полезного сигнала. Вследствие нелинейных процессов в тракте внеполосные шумы и помехи могут попасть в слышимый диапазон за счет интермодуляции с самим сигналом, это тоже следует учитывать.

Заметность шумов и помех изучена хорошо, в качестве пороговых значений приняты: шум свободного канала — не более -70 дБ, тональные помехи — не более -80 дБ.

Искажения уровня сигнала или динамического диапазона

Искажения уровня сигнала следует рассматривать с учетом того, что в руках слушателя обычно имеется регулятор громкости, и он сам устанавливает комфортное и подходящее значение уровня.

Абсолютное значение порога заметности изменения уровня довольно высокое, около 3 дБ. Дифференциальный порог заметности — около 1 дБ. Время адаптации к уровню сигнала — около 200 мс. Медленные изменения уровня сигнала малозаметны на слух, при скорости менее 1 дБ/с работа лимитера или левелера не вызывает ощущения искажений. Заметность изменения динамического диапазона и уровня сигнала существенно зависит от временных параметров процесса, производители процессоров хранят эту информацию в тайне.

Изменение динамического диапазона часто применяется в радиовещании целенаправленно — диапазон уменьшается до приемлемых значений. Для защиты ВЧ-головок используют последовательно включенный резистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления, например лампу накаливания с вольфрамовой нитью. При безопасных для головки значениях тока сопротивление лампочки низкое, менее 1 Ом, на звучание оно практически не влияет. При повышении уровня сигнала нить разогревается, ее сопротивление увеличивается, ограничивая рост тока в цепи.

С нецеленаправленным изменением динамического диапазона или уровня сигнала приходится сталкиваться очень редко. В качестве примера можно привести термокомпрессию динамического диапазона в головках громкоговорителей. При повышении мощности сигнала повышается температура обмотки и растет ее сопротивление — снижается уровень звукового давления.

Итоги

Если различаются звучания, значит, различаются и сигналы — примем это как аксиому. Данные о значениях порогов заметности различного вида изменений были получены в результате субъективно-статистических исследований. В целом данные таких исследований можно отнести к объективным, отдавая себе отчет, что они были получены в неких конкретных условиях, что накладывает определенные условия на их использование.

По состоянию на сегодняшний день можно считать, что ключевым параметром электрических трактов, определяющим качество звучания, являются нелинейные искажения, а роль АЧХ, шумов и помех невелика.

В электроакустике сложно решается задача воспроизведения низкочастотных сигналов, играют заметную роль и линейные искажения, в частотности, реверберационный процесс и интерференционные явления как при записи, так и при воспроизведении.

При анализе искажений и их заметности следует помнить, что адресатом всего этого процесса является слух человека. Слух может слышать, не замечая, а может замечать, не слыша. Слушатель обращает внимание на качество звука, если оно его не устраивает в целом, а заметные частные искажения при звуковоспроизведении есть всегда.

Следует помнить, что в теории электрических цепей рассматриваются искажения, вносимые неким устройством. В звукорежиссерской практике важно качество выходного сигнала, которое зависит не только от тракта.

Модуляция

Словари дают такое определение понятия «модуляция сигнала» — процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.

Обычно в качестве модулируемого сигнала в радиовещании используется синусоидальный, его описывает уравнение:u(t)=U0·sin(ωt+φ); здесь U0 — амплитуда, ω — частота, φ — начальная фаза. Изменение амплитуды, частоты или фазы при сохранении остальных параметров — это амплитудная, частотная или, соответственно, фазовая модуляция.

Амплитудная модуляция (АМ)

В 1900 году Реджинальд Обри Фессенден (Reginald Aubrey Fessenden) предложил принцип амплитудной модуляции: наложение звукового сигнала на несущее ВЧ-колебание. Считается, что он же первым использовал амплитудную модуляцию для передачи звука по радио: 24 декабря 1906 года публике была продемонстрирована реальная трансляция музыкальной и речевой программ.

Реализуется амплитудная модуляция довольно просто: достаточно, например, изменять напряжение питания генератора — такое решение широко используется до настоящего времени. Есть и другие методы, например, цифровой синтез. В результате получается сигнал (рис.1), описываемый уравнением: u(t)=[U0+U(t)]·sin(ωt); здесь U(t) — модулирующий сигнал.

Рис.1. Форма сигнала при амплитудной модуляции

Если управляющий сигнал на входе модулятора U(t) = 0, то несущая постоянна. Изменение модулирующего сигнала U(t) приводит к изменению амплитуды выходного напряжения. Для количественной оценки амплитудной модуляции используют глубину модуляции: отношение амплитуды U(t)к U0. Если U(t)/U0 = 1, или 100%, то амплитуда модулированного сигнала оказывается в два раза больше, чем в паузе модуляции.

В классической реализации спектр АМ-сигнала (принято международное обозначение для этого вида модуляции в радиовещании — А3Е) включает в себя несущую и две боковые полосы (рис.2). Для передачи речи с полосой, например, 5 кГц в эфире нужно выделить полосу 10 кГц, а для музыки потребуется все 30. Радиочастотный ресурс используется не очень экономично, кроме того, сама несущая не несет никакой информации, а ведь на ее передачу расходуется львиная доля энергии.

Гораздо лучшими показателями обладает амплитудная модуляция с одной боковой полосой (ОБП). Считается, что изобрел амплитудную модуляцию с ОБП американский ученый Дж. Карсон в 1915 году. Именно такой режим используют связисты для передачи речи, но в музыкальном радиовещании он не прижился, потому что в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью, иначе разрушится музыкальный строй. Для звукового вещания используется режим с подавленной боковой полосой и ослабленной несущей (обозначение — R3E).

Рис.2. Спектр АМ-сигнала: 1 — классическая АМ; 
2 — ОБП с частично подавленной несущей; 3 — ОБП;
4 — частично подавлена одна боковая полоса

Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой сочетает в себе достоинства амплитудной модуляции с ОБП (высокие энергетические показатели и эффективное использование радиочастотного спектра) и простоту абонентского приемника (не требуется синтез несущей). Этот метод практически повсеместно используется в аналоговом телевизионном вещании для передачи сигнала изображения.

При работе в режиме амплитудной модуляции отношение сигнал/шум на выходе приемника всегда оказывается хуже, чем отношение сигнал/шум в эфире. В «замусоренных» помехами АМ-диапазонах (НЧ или ДВ 145…284,5 кГц; СЧ или СВ 526,5 кГц… …1,6065 МГц; ВЧ или КВ 3,95…26,1 МГц) реальное отношение сигнал/шум редко превышает 40 дБ. Его улучшение достигается за счет увеличения мощности передатчика. В свое время были построены даже мегаваттные станции, но это направление сегодня не выглядит убедительным.

В телевизионных АМ-передатчиках, как правило, на мощный выходной каскад подается предварительно модулированный сигнал. В радиовещательных передатчиках звуковой модулирующий сигнал управляет обычно мощным оконечным каскадом. В обоих случаях трудно обеспечить высокую линейность. По ГОСТ Р51742-2001 при глубине модуляции 90% в диапазоне от 100 до 4000 Гц допустимое значение КГ для амплитудной модуляции радиовещательных передатчиков составляет 2%.

Для улучшения энергетических показателей АМ-передатчиков применяют управление несущей: при уменьшении уровня модулирующего сигнала уменьшается ее уровень. В простейшем случае регулятор — ступенчатый, но он может быть и плавным. В итоге исключается перемодуляция при больших сигналах, а при малых сигналах снижается излучаемая мощность, что позволяет снизить расход электроэнергии.

Промышленность выпускает специализированные процессоры, предназначенные для работы в звуковом тракте АМ-радиовещания. В таком аппарате происходит многополосная компрессия и лимитирование звукового сигнала и формируется напряжение смещения для управления модулятором передатчика. И лимитер в АМ-процессоре имеет особенности: отрицательную полуволну звукового сигнала надо ограничивать раньше, чем положительную, это позволяет избежать перемодуляции в передатчике и снизить искажения при детектировании.

В СССР в 1939 году был изобретен еще один метод амплитудной модуляции, названный полярной модуляцией (ПМ), автор — А. И. Косцов. При полярной модуляции положительные и отрицательные полуволны несущей модулируются независимо. Теоретически можно с помощью полярной модуляции передавать стереофонический сигналами, модулируя несущее колебание левыми и правым сигналом стереопары. Этот принцип лег в основу отечественной системы стереовещания (УКВ), существующей и сегодня в диапазоне 65…74 МГц.

Если взять два несущих колебания одинаковой частоты со сдвигом фаз, равным 90°, и подвергнуть каждый из них амплитудной модуляции независимым сигналом, то теоретически возможно разделить модулирующие сигналы при приеме, данный метод называют квадратурной модуляцией (КМ). На основе КМ было разработано несколько вариантов систем стереофонического радиовещания для АМ-диапазонов. В настоящее время с развитием цифровых технологий интерес к таким решениям слабеет.

В звуковых низкочастотных трактах тоже приходится сталкиваться с амплитудной модуляцией. Неплотный контакт магнитной ленты с головкой приводит к паразитной амплитудной модуляции, глубина которой увеличивается с частотой. В кассетном магнитофоне при скорости ленты 4,76 см/с на частоте 10 кГц глубина амплитудной модуляции может достигать нескольких процентов, звучание теряет ясность, прозрачность. В профессиональных катушечных магнитофонах предприняты специальные меры, стабилизирующие положение ленты относительно головки, и при скорости 38,1 см/с в звуковом диапазоне частот паразитная амплитудная модуляция оказывается несущественной.

Если в спектре модулирующего звуковой сигнал колебания преобладают инфранизкие частоты, то результат воспринимается как изменение громкости. Модуляция сигналом с частотой 20…30 Гц воспринимается как потеря прозрачности, вплоть до хриплости, звук становится «пластмассовым», тусклым, порог заметности — единицы процентов.

При синтезе звука амплитудная модуляция используется целенаправленно — с ее помощью формируется огибающая сигнала. Большая часть регуляторов в синтезаторе имеет отношение к амплитудной модуляции.

Частотная модуляция (ЧМ)

Метод частотной модуляции предложил Корнелиус Эре (Cornelius Ehret) в 1902 году. Летом 1934 года публика увидела и услышала эту технологию в действии. Летом 1940 года решением FCC (Федеральная комиссия по связи — Federal Communications Commission) для ЧМ-радиовещания (международное обозначение этого вида модуляции в радиовещании — F3E) был выделен диапазон 42…50 МГц.

Решение NTSC (Национальный комитет телевизионных стандартов США — National Television Standards Committee) открыло методу частотной модуляции путь в телевидение для передачи звукового сигнала. В аналоговом спутниковом телевизионном вещании метод частотной модуляции используется в настоящее время и для передачи сигнала изображения.

Для модуляции частоты в радиотехнике используют обычно зависимость емкости p-n перехода от приложенного напряжения. Полученный сигнал (рис.3) описывается уравнением u(t)=U0·sin [(ω+k·U(t))t]; здесь U(t) — модулирующий сигнал; k — размерный коэффициент пропорциональности.

В качестве меры величины частотной модуляции используют девиацию (абсолютное значение отклонения частоты) и индекс модуляции — отношение девиации к частоте модулирующего сигнала. В диапазоне 87,5…108 МГц допускается максимальное значение девиации, равное 75 кГц; для радиовещания в диапазоне 65…74 МГц и канала звука телевидения установлено ограничение 50 кГц.

Рис.3. Форма сигнала при частотной модуляции

При девиации 50 кГц для монофонического сигнала с полосой 15 кГц индекс модуляции приближается к 3. При девиации 75 кГц он равен 5. При переходе в стереорежим индекс модуляции уменьшается: 75/53 = 1,4 для системы с пилот-тоном и 50/46,25 = 1,08 для отечественной системы с полярной модуляцией.

Соотношение сигнал/шум на выходе канала с частотной модуляцией связано с величиной помех в радиоканале и индексом модуляции. Чем больше индекс модуляции, тем больше выигрыш по помехозащищенности. Имея в радиоканале отношение сигнал/шум, например, 30 дБ, можно получить в звуковом тракте существенно лучшие показатели — 50 дБ и более. Переход в стереорежим существенно ухудшает помехозащищенность.

Спектр ЧМ-сигнала теоретически бесконечен, но с достаточной для практических целей точностью можно считать, что полоса ЧМ-сигнала равна удвоенной сумме девиации и частоте модулирующего сигнала. Для комплексного стереофонического сигнала с полосой 53 кГц и девиации 75 кГц получаем, что спектр сигнала радиостанции имеет ширину (53 + 75)·2 = 256 кГц. Монозвук в телевидении занимает более узкую полосу (15 + 55)·2 = 130 кГц.

Спектр помех в ЧМ-канале неравномерен, их уровень повышается с ростом частоты модулирующего сигнала. Введение цепи предыскажений на входе модулятора и корректора на выходе детектора позволяет перераспределить помехи: оказываются ослабленными более заметные высокочастотные шумы, но, естественно, вместе с полезным сигналом.

В основу стандарта на АЧХ цепи коррекции были положены статистические свойства звуковых сигналов того времени. В современной электронной музыке и в обработанных при мастеринге записях уровень высокочастотных составляющих оказывается гораздо выше.

В ЧМ-передатчиках усиливается, как правило, предварительно модулированный сигнал. Линейность усилительных ВЧ-каскадов мало сказывается на качестве звука, коэффициент гармоник определяется модулятором. Современные технологии позволяют построить модулятор с Кг около 0,01%. В сквозном тракте получается Кг около 0,1%, ухудшение обусловлено главным образом нелинейностью фазочастотной характеристики радиочастотных звеньев.

В звуковых трактах имеет место паразитная частотная модуляция. Неравномерность скорости движения магнитной ленты или вращения пластинки приводит к частотной модуляции, порог слуховой заметности — около 0,1%. Если диффузор динамической головки воспроизводит, например, высокочастотный сигнал и одновременно движется под действием низкочастотного, то вследствие эффекта Доплера тоже возникает частотная модуляция. При движении диффузора в направлении слушателя частота сигнала повышается, при удалении — понижается. В реальных акустических системах скорость движения диффузора существенно меньше скорости звука и изменение частоты оказывается небольшим, но тренированный слух способен это заметить.

Частотная модуляция применяется в синтезаторах для получения желаемой окраски звучания. Низкочастотная модуляция воспринимается на слух как вибрато, повышение частоты модулирующего сигнала приводит к неоднозначному результату.

Модуляция при передаче дискретной информации

Для передачи дискретной (цифровой) информации используют манипуляцию, то есть скачкообразное изменение частоты, фазы или амплитуды сигнала.

Метод амплитудной манипуляции используется для передачи сигналов азбуки Морзе уже второе столетие, но простота решения сегодня не оправдывает низкой эффективности использования канала связи.

Рис.4. Форма сигнала при фазовой модуляции

Манипуляция частотой (частотная телеграфия и двойная частотная телеграфия) широко использовалась в радиосвязи, и до сих пор оборудование находится в работе, постепенно уступая место более эффективным методам модуляции, в частности — фазовым (рис.4). Распространен метод четырехпозиционной фазовой манипуляции (QPSK), есть и более сложные (8PSK). Следующий шаг — амлитудно-фазовая манипуляция, это сегодня один из самых популярных методов.

Потенциально достижимая пропускная способность канала С может быть вычислена по формуле Шеннона: С=F log2(1+PС/PШ). Здесь: F — полоса пропускания канала, PС/PШ — отношение мощностей сигнала и шума. Первые модемы, предназначенные для работы в телефонном канале с полосой 300…3400 Гц, позволяли передать несколько сотен символов в секунду. Сегодня протокол V.34 (256-QAM, скорость 28,8 кбит/с) считается устаревшим, а V.92 (56,7 кбит/с) уже близок к потенциально достижимому пределу. Аналогично обстоят дела и в цифровом вещании, но алгоритмы продолжают совершенствоваться.




ООО "КОРТМИ" ул. Собинова 2П, 83004, г. Донецк тел. +38 094 910 25 29, +38-095-064-17-14 (Viber, WhatsApp), e-mail: info@cortmi.com.ua
   Copyright© 2018 CORTMI Ltd. All rights reserved Использование материалов cortmi.ua разрешается при условии ссылки (для интернет-изданий - гиперссылки) на cortmi.com.ua
Находится в каталоге Апорт
-->
Free Content Management System Software with ViArt CMS